Was ist Submikron-Wolframcarbid?

Als einer der wichtigsten Rohstoffe für die Herstellung von Hartmetall wirken sich Partikelmorphologie, Größe, Partikelgrößenverteilung und Verunreinigungsgehalt von Wolframcarbid (WC)-Pulver direkt auf die Qualität und Anwendung von Hartmetall aus. WC-Pulver kann je nach Partikelgröße in ultragrobes Wolframcarbid, Mikron-Wolframcarbid, Submikron-Wolframcarbid, Sub-Nano-Wolframcarbid und Nano-Wolframcarbid unterteilt werden. In Bezug auf die Anwendung wird Submikron-Wolframcarbidpulver hauptsächlich zur Herstellung von Hartmetall, superharten Schneidwerkzeugen, Teilen von Strahltriebwerken und Bauteilen für Ofenkonstruktionen verwendet.

Eigenschaften von Submikron-Wolframcarbidpulver

Der Definition nach ist Wolframcarbid eine Verbindung aus dem Übergangsmetall Wolfram und nichtmetallischem Kohlenstoff. Seine chemische Formel lautet WC und sein Molekulargewicht beträgt 195,85.

Von den physikalischen und chemischen Eigenschaften her sieht WC aus wie ein schwarzes körniges Pulver mit einem Schmelzpunkt von etwa 2870 °C und einem Siedepunkt von etwa 6000 °C. Es ist in Wasser, Salzsäure und Schwefelsäure unlöslich, in der Mischsäure aus Salpetersäure und Flusssäure jedoch leicht löslich. Es zeichnet sich durch eine ähnliche Härte wie Diamant, gute Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten, einen hohen Elastizitätsmodul und eine Druckfestigkeit aus.

Es ist erwähnenswert, dass die Partikelgröße von Submikron-WC-Pulver zwischen Mikrometer und Submikron liegt, dh 100 nm bis 1,0 μM, sodass es in einer bestimmten Umgebung nicht so leicht zu agglomerieren ist wie Sub-Nano-WC, d. h. es weist eine bessere Dispersionsleistung auf . Gleichzeitig ist keine lange Mahlzeit wie bei Mikro-WC erforderlich, was die Herstellung von submikrokristallinem Hartmetall begünstigt. Allerdings ist es für die 3D-Drucktechnologie nicht geeignet, da die Partikel zu groß und die hergestellten Produkte relativ rau sind.

Herstellung von Submikron-Wolframcarbidpulver

Je kleiner die Partikelgröße des WC-Pulvers ist, desto kürzer ist die für den Materialvorbereitungsprozess erforderliche Sinterzeit und desto niedriger ist die für die Verdichtung erforderliche Temperatur. Beispielsweise beginnt sich Nano-WC-Pulver bei 500 °C zu verdichten, während WC-Pulver im Submikrometerbereich bei 1200 °C zu verdichten beginnt. Daher kann die Herstellung von WC-Pulver mit einer Partikelgröße von weniger als 100 nm eine gute Grundlage für den anschließenden Sinterprozess legen .

In den letzten Jahren sind die wichtigsten Methoden zur Herstellung von ultrafeinen oder Nano-WC-Pulvern: mechanisches Legieren, Direktreduktionskarbonisierung, Sol-Gel-Methode, Dampfphasenkarbonisierung, chemische Festbett-Dampfphasenmethode, Plasmamethode usw.

1 mechanische Legierungsmethode

Liu Lin et al. Übernahme der mechanischen Legierungsmethode, zuerst das W-Pulver und das C-Pulver im Atomverhältnis 1:1 mischen, in das Stahlrohr geben und Argon einführen, dann die WC-Mahlkugel mit 12 mm Durchmesser auswählen und das Kugelmaterialverhältnis von 18 übernehmen :1 und führte schließlich eine Hochenergie-Kugelmahlung auf der Planetenkugelmühle durch. Durch diese Methode wurde WC-Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 7,2 nm erhalten. Maxueming et al. Mithilfe mechanischer Legierungstechnologie wurde die Partikelgröße auf etwa 75 μM reduziert. W-Pulver und C-Pulver wurden entsprechend dem Atomverhältnis 1:1 gemischt, und das ausgewählte Kugelmaterialverhältnis betrug 30:1. Das WC-Pulver mit einer durchschnittlichen Korngröße von 11,3 nm wurde durch 100-stündiges Kugelmahlen auf einer Planeten-Hochenergiekugelmühle qm-1f erhalten.

2 Direktreduktionskarbonisierung

Die Reduktionskarbonisierungsverfahren zur Herstellung von ultrafeinem WC-Pulver können in zwei Kategorien unterteilt werden: (1) zweistufige Reduktionskarbonisierung: Der erste Schritt besteht darin, den w-haltigen Vorläufer zu zersetzen und zu reduzieren, um W-Pulver herzustellen; Der zweite Schritt besteht darin, W-Pulver mit der C-haltigen Substanz zu mischen, auf hohe Temperaturen zu erhitzen und es dann durch eine chemische Reaktion zu verkohlen, um WC-Pulver herzustellen. Bei dieser Methode wurden W-Pulver und C-Pulver gemischt und bei hoher Temperatur (1400–1600 °C) zu WC-Pulver umgesetzt. (2) Das einstufige Reduktionskarbonisierungsverfahren ist das Direktreduktionskarbonisierungsverfahren: Der W-haltige Vorläufer wird mit der C-haltigen Substanz gemischt und dann direkt reduziert und bei hoher Temperatur karbonisiert, um WC-Pulver zu bilden. Dieses Verfahren kann nicht nur die Produktionseffizienz von WC-Pulver verbessern, sondern auch eine gleichmäßigere Verteilung des WC-Pulvers und feinere Körner erzielen.

Einige Experten erhielten WC-Pulver mit einer Korngröße von 15–30 nm durch Direktreduktionskarbonisierung. Die Herstellungsmethode ist wie folgt: Mit WO3 und C als Rohstoffen wird die Mischung aus WO3 und C zunächst nass gemahlen, wobei das Atomverhältnis von C zu W größer als 1 ist, dann wird die nass gemahlene Aufschlämmung sprühgetrocknet und Anschließend wird das Zwischenprodukt aus WC-Pulver und überschüssigem C durch Reduzierung der Karbonisierung bei hoher Temperatur (1000–1100 °C) mit N2 als Schutzgas hergestellt und schließlich der Kohlenstoffgehalt auf (6,13 ± 0,05)% eingestellt.

Nano-Wolframcarbid-Pulver wurde durch Einbettung der Direktreduktions-Karbonisierungsmethode erhalten. Reduktions- und Kombinationsreaktionen werden in einer A12O3-Einbettungsvorrichtung durchgeführt, die eine reduzierende Atmosphäre bei hoher Temperatur bereitstellen kann, um eine Oxidation von WC zu vermeiden. Die Rohstoffe WO3 und C wurden durch Hochenergie-Kugelmahlen vorbehandelt und anschließend wurde die Synthesereaktion 3 Stunden lang bei 1300 °C durchgeführt. Schließlich wurden die Reaktionsprodukte durch Hochenergie-Kugelmahlen vorbehandelt und WC-Pulver mit einer Korngröße von 26 nm wurde nach 40-stündigem Kugelmahlen hergestellt.

3 Sol-Gel-Methode

Nano-Wolframcarbid-Pulver wird durch die Sol-Gel-/In-situ-Karbonisierungsmethode hergestellt. Die Herstellungsschritte sind wie folgt: Zuerst wird Wasserstoffperoxid (Massenanteil von H2O2 beträgt 30%) zu W-Pulver (200 Mesh) gegeben und Eisessig und absolutes Ethanol werden als Stabilisatoren verwendet, um gelbes Wolframsol herzustellen. Das überschüssige Wasser wird durch Verdampfen entfernt und anschließend wird in Phenolharz gelöstes absolutes Ethanol zugegeben. Nach dem Mischen mit Ultraschall wird das Sol erhalten, das die W-Quelle und die C-Quelle enthält. Nach der Alterung wurde ein Gel erhalten. Schließlich wurde WC-Pulver mit einer Korngröße von 10,2 nm durch Karbonisierung bei 900 °C mit H2 und Ar als Schutzgas hergestellt.

4 Gasphasenkarbonisierung

Das Nano-Wolframcarbid-Pulver wurde in Japan durch die Gasphasenkarbonisierungsmethode gewonnen. Er verwendete WCl6 als W-Quelle und CH4 als Gasphasen-C-Quelle, um das WC-Pulver mit einer Korngröße von 20–30 nm durch chemische Reaktion bei hoher Temperatur (1300–1400 °C) herzustellen, und erörterte ausführlich die Beziehung zwischen den Korngrößen das Reaktantenproduktsystem und die Reaktionstemperatur. Das japanische Wolframunternehmen Tokio hat ein Patent für die Herstellung von ultrafeinem WC-Pulver durch Direktkarbonisierung mit WO3 als Wasserquelle und CO als Karbonisierungsgas angemeldet. Die Partikelgröße und der C-Gehalt des vorbereiteten WC-Pulvers können gesteuert werden.

5 Festbett-Chemiedampfverfahren

WC-Pulver von etwa 15 nm wurde erfolgreich durch die chemische Festbett-Dampfphasenmethode hergestellt. Mit Nano-WO3 als W-Quelle und Acetylen als C-Quelle sind die Vorbereitungsschritte wie folgt: Geben Sie das Nano-WO3 in ein Quarz-Reaktionsschiffchen und stellen Sie das Schiffchen dann in einen Hochtemperatur-Rohrreaktor aus rostfreiem Stahl. Nach dem Vakuumieren wird H2 eingeleitet. Nach 1,5-stündigem Halten bei 660 °C ist das Nano-WO3-Pulver vollständig zu Nano-A-W-Pulver reduziert. Anschließend wird der H2-Strom reduziert und Acetylen eingeleitet. Nach 4-stündigem Halten bei 800 °C wird das Nano-A-W-Pulver in WC-Pulver umgewandelt.

6 Plasmamethode

Es gibt eine weitere gängige Methode zur Herstellung von ultrafeinem/Nano-WC-Pulver: die Plasmamethode, bei der das Plasma als Wärmequelle verwendet wird und dessen Temperatur 4000 bis 5000 °C erreichen kann. Bei solch hohen Temperaturen zersetzen sich die Pulverrohstoffe und reagieren zu den gewünschten Produkten. Diese Methode verwendet im Allgemeinen WO3, WC oder w als w-Quelle und CH4 als C-Quelle. Nach der Reaktion entsteht hauptsächlich β-. Die Forschung von WC oder W2C, Japans Kuriyama usw. zeigt, dass, wenn das Molverhältnis von CH4 zu WC größer als 15 ist, β- Der Massenanteil von WC beträgt 90%-95% und das Partikel Die Größe des Pulvers beträgt etwa 10 nm. TEM-Beobachtung β- Die Korngröße von WC beträgt 5–20 nm, was gute Fraktionseigenschaften aufweist.