CN102839313A

CN102839313A - 纳米Cr3C2-WC-Ni复合粉末及其制备方法

Info

Publication number: CN102839313A
Application number: CN2012102880685A
Authority: CN
Inventors: 金永中; 罗宏; 邓建国; 曾宪光; 叶发明
Original assignee: Sichuan University of Science and Engineering
Current assignee: Jiangsu Xinzhong Enterprise Management Co ltd
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: CN102839313B

Abstract

本发明公开了一种纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末及其制备方法，复合粉末各组分百分数为，Ni为10～40％；余量为WC和Cr₃C₂，其中WC占WC和Cr₃C₂两者总重量的5~30％。制备步骤为：将重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶镍盐和葡萄糖与蒸馏水搅拌均匀制得前驱体溶液并干燥得到前驱体混合粉末；将前驱体混合粉末在400~500℃煅烧，得到“氧化物—碳”混合物；将“氧化物—碳”混合物在真空保护气氛下，于750～1000℃温度下保温0.5～2h进行还原、碳化，得到粉末；将上述粉末洗涤、抽滤、干燥，即得。本发明可有效抑制热喷涂时Cr₃C₂晶粒异常长大，本方法复合粉末一次合成，工艺简单、参数易控、成本低。

Description

纳米Cr3C2-WC-Ni复合粉末及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末及其制备方法，属于纳米陶瓷粉体制备领域。

背景技术

目前，碳化钨（WC）因其高硬度在切削加工、耐磨领域得到了广泛应用。然而，WC粉末的耐腐蚀性较差，而且在600℃已开始氧化。所以，WC基硬质材料的工作温度一般在500℃以下。与WC粉末相比，碳化铬（Cr₃C₂）具有一系列独特的性能：①高温氧化性好，可在800-1000℃长时间服役；②优良的耐腐蚀性；③导热性好；④无磁性；⑥密度低；⑦热膨胀系数与钢接近。

由于Cr₃C₂-Ni金属陶瓷块体材料至今仍未解决其显微组织中孔隙率高的技术问题，所以目前碳化铬主要用作热喷涂粉末，用于600℃以上高温服役工况条件下的耐磨防护涂层。在工业应用中，碳化铬基热喷涂粉末主要是以Cr₃C₂粉末与Ni（通常还添加了Cr）粉末为原料形成的复合粉末。这种Cr₃C₂-Ni或Cr₃C₂-NiCr复合粉末在热喷涂过程中容易出现硬质相Cr₃C₂晶粒异常长大现象,从而导致涂层的力学性能降低。另外，高性能热喷涂涂层对热喷涂粉末的粒径提出了更高要求，寻求纳米级Cr₃C₂-Ni或Cr₃C₂-NiCr复合粉末的制备新方法具有重要意义。

工业上主要有以下几种制备Cr₃C₂-Ni复合粉末的方法：直接混合法、压制烧结破碎法、粒料烧结法、喷雾干燥法和熔体雾化法。直接混合法是将Cr₃C₂和Ni粉末直接混合；压制烧结破碎法是将Cr₃C₂-Ni混合料粉末通过压制成坯块，然后高温烧结，最后将烧结体机械破碎成粉末；粒料烧结法是将有机粘结剂添加到Cr₃C₂-Ni混合料粉末中，进行团聚造粒，然后高温烧结获得粉末；熔体雾化法是通过高速气流冲击Cr₃C₂-Ni熔体获得粉末；喷雾干燥法是将Cr₃C₂和Ni粉末与液态有机溶液混合成均匀料浆，通过喷嘴雾化获得Cr₃C₂-Ni雾化粉末，再经过高温烧结获得复合粉末。上述工业制备方法均需先合成Cr₃C₂粉末，然后再制备Cr₃C₂-Ni复合粉末，工艺复杂、成本高，难以消除Cr₃C₂和Ni两种组分在复合粉末中的偏聚现象，且所得复合粉末的粒径通常为微米级。

另外中国发明专利《一种纳米碳化铬复合粉末的制备方法，201110070999.3》公开了如下技术：将镍铬合金粉末进行球磨后置于气氛炉中，通入包括氢气和含碳气体的混合气体，并将所述气氛炉的炉温保持在650～950℃之间；将经过保温后获得的Cr₃C₂-NiCr复合粉末进行破碎分级。该专利所涉及的制备方法，设备要求高，能耗大，产物纯度不好控制。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种可有效抑制热喷涂时Cr₃C₂晶粒异常长大的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末及其制备方法，本方法复合粉末一次合成，工艺简单、参数易控、成本低。

本发明的技术方案是这样实现的：

纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末，该复合粉末所含组分及各组分的重量百分数为，Ni为10～40％；余量为WC和Cr₃C₂，其中WC占WC和Cr₃C₂两者总重量的5~30％；该复合粉末平均粒径<100 nm。

纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末的制备方法，其制备步骤为：

1）根据Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末中Cr₃C₂、WC和Ni的量称量重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶镍盐和葡萄糖，将重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶镍盐和葡萄糖四种原料置于蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；

2）将上述前驱体溶液置于干燥箱中，在60～120℃条件下干燥1~5h，得到前驱体混合粉末；

3）将上述前驱体混合粉末置于管式炉中于惰性气体（Ar气）保护下在400~500℃煅烧至少30min，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；

4）将上述“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下，于750～1000℃温度下保温0.5～2h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末；

5）将上述粉末用蒸馏水洗涤，再真空抽滤，循环3~5次；最后将抽滤后的粉末置于干燥箱中干燥，即得到纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

可溶镍盐为硝酸镍、氯化镍和硫酸镍中的一种或任意两种或三种任意比例的混合物。

所述第1）步得到的前驱体溶液中含有催化剂K₂CO₃，其含量为原料总重量的0.5~5%。

相比现有技术，本发明具有以下优点：

1、在Cr₃C₂-Ni复合粉末体系中添加适量的WC，可有效抑制热喷涂时Cr₃C₂晶粒的异常长大，可以增强涂层的力学性能。

2、本发明纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末，即可作为热喷涂粉末制备高温耐磨涂层，也可用于高性能Cr₃C₂基金属陶瓷制备所需的混合料粉末。

3、本发明以重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶镍盐、葡萄糖作为原料，来源丰富、价格低，节约成本。

4、本发明同时从三个技术层面来降低反应温度和缩短反应时间，获取具有纳米粒径的复合粉末：（1）采用前驱体原料实现反应物体系中各元素在分子级别上混合均匀，缩短化学反应中原子的迁移距离；（2）采用真空碳化降低反应产物中气体的分压，利于碳化反应进行；（3）添加K₂CO₃作为催化剂，加速反应进程。最终实现在750～1000℃条件下保温0.5～2h制备纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

5、本发明所制备的Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末，其平均粒径<100 nm，组元元素分布均匀，且杂质含量少。

6、本发明工艺简单、参数易控、成本低，操作方便，无需先获得Cr₃C₂粉末，再制备复合粉末，所有组分的还原、碳化和复合工艺过程均通过一次碳化操作完成，所用设备为常规设备，适合工业化生产。

具体实施方式

本发明纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末所含组分及各组分的重量百分数为，Ni为10～40％；余量为WC和Cr₃C₂，其中WC占WC和Cr₃C₂两者总重量的5~30％；该复合粉末平均粒径<100 nm。

本纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末的制备方法为：

1）本发明使用重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶Ni盐和葡萄糖分别作为氧化铬、氧化钨、氧化镍和碳的前驱体原料，根据Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末中Cr₃C₂、WC和Ni的量称量重铬酸铵、偏钨酸铵、可溶镍盐和葡萄糖，首先将上述原料置于蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；在此过程中还特别添加了K₂CO₃作为反应催化剂，其含量为上述原料总重量的0.5~5%；蒸馏水的量以确保四种原料和催化剂能够充分溶解即可；

2）将上述前驱体溶液置于鼓风干燥箱中，在60～120℃条件下干燥1-5h，得到前驱体混合粉末；

3）将上述前驱体混合粉末置于管式炉中于惰性气体（通常为Ar气）保护下在400~500℃煅烧至少30min，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；“氧化物—碳”混合物即氧化铬、氧化钨、氧化镍和碳的混合物；

4）将上述“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下，于750～1000℃温度下保温0.5～2h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末。

5）将上述粉末用蒸馏水洗涤，再真空抽滤，循环3~5次；最后将抽滤后的粉末置于干燥箱中，在80-120℃条件下干燥2-3h，即得到纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

以下给出实施例以对本发明作进一步详细说明。

实施例1

按照Cr₃C₂ : WC : Ni为85.5：4.5：10的质量比，称取四种原料将重铬酸铵22.40g、偏钨酸铵0.72g、硝酸镍6.18g、葡萄糖20.70g和K₂CO₃ 0.25g，溶于200ml蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；将前驱体溶液置于鼓风干燥箱中，在100℃条件下干燥3h，得到前驱体混合粉末；将该前驱体混合粉末置于管式炉中于Ar气保护下在400℃煅烧1h，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；将该“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下于750℃保温2h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末；用0.5L蒸馏水洗涤该粉末25min，再真空抽滤，循环3次；最后将抽滤后的碳化粉末置于干燥箱中，在80℃条件下干燥3h，即得到最终的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

实施例2

按照Cr₃C₂ : WC : Ni为63：27：10的质量比，称取四种原料将重铬酸铵18.15g、偏钨酸铵4.76g、硝酸镍6.77g、葡萄糖20.32g和K₂CO₃ 0.5g，溶于200ml蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；将前驱体溶液置于鼓风干燥箱中，在100℃条件下干燥3h，得到前驱体混合粉末；将该前驱体混合粉末置于管式炉中于Ar气保护下在400℃煅烧1h，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；将该“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下于750℃保温2h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末；用0.5L蒸馏水洗涤该粉末25min，再真空抽滤，循环3次；最后将抽滤后的碳化粉末置于干燥箱中，在80℃条件下干燥3h，即得到最终的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

实施例3

按照Cr₃C₂ : WC : Ni为57：3：40的质量比，称取四种原料将重铬酸铵14.08g、偏钨酸铵0.46g、氯化镍19.05g、葡萄糖16.41g和K₂CO₃ 1.5g，溶于200ml蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；将前驱体溶液置于鼓风干燥箱中，在120℃条件下干燥1h，得到前驱体混合粉末；将该前驱体混合粉末置于管式炉中于Ar气保护下在500℃煅烧30min，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；将该“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下于900℃保温1h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末；用0.5L蒸馏水洗涤该粉末25min，再真空抽滤，循环3次；最后将抽滤后的碳化粉末置于干燥箱中，在80℃条件下干燥3h，即得到最终的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

实施例4

按照Cr₃C₂ : WC : Ni为42：18：40的质量比，称取四种原料将重铬酸铵10.54g、偏钨酸铵2.78g、硫酸镍21.41g、葡萄糖15.27g和K₂CO₃ 2.5g，溶于200ml蒸馏水中，并搅拌均匀制得前驱体溶液；将前驱体溶液置于鼓风干燥箱中，在60℃条件下干燥5h，得到前驱体混合粉末；将该前驱体混合粉末置于管式炉中于Ar气保护下在500℃煅烧30min，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；将该“氧化物—碳”混合物放入真空碳管炉中，在真空保护气氛下于1000℃保温0.5h进行还原、碳化，得到平均粒径<100 nm的粉末；用0.5L蒸馏水洗涤该粉末25min，再真空抽滤，循环5次；最后将抽滤后的碳化粉末置于干燥箱中，在80℃条件下干燥3h，即得到最终的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末。

Claims

1.纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末，其特征在于：该复合粉末所含组分及各组分的重量百分数为，Ni为10～40％；余量为WC和Cr₃C₂，其中WC占WC和Cr₃C₂两者总重量的5~30％；该复合粉末平均粒径<100 nm。

2.纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末的制备方法，其特征在于，其制备步骤为：

3）将上述前驱体混合粉末置于管式炉中于惰性气体保护下在400~500℃煅烧至少30min，得到各元素在分子级别上混合均匀的“氧化物—碳”混合物；

3.根据权利要求1所述的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末的制备方法，其特征在于：所述可溶镍盐为硝酸镍、氯化镍和硫酸镍中的一种或任意两种或三种任意比例的混合物。

4.根据权利要求1所述的纳米Cr₃C₂-WC-Ni复合粉末的制备方法，其特征在于：所述第1）步得到的前驱体溶液中含有催化剂K₂CO₃，其含量为原料总重量的0.5~5%。