吴爱华,唐建成,覃德清,雷纯鹏
(1.南昌硬质合金有限责任公司,330013,南昌;2.南昌大学材料科学与工程学院,330031,南昌)
硬质合金用钴粉的发展现状
吴爱华1,唐建成2,覃德清2,雷纯鹏1
(1.南昌硬质合金有限责任公司,330013,南昌;2.南昌大学材料科学与工程学院,330031,南昌)
由于钴粉具有优良的物理、化学和机械性能,在众多领域得到广泛应用。简要介绍了国内外钴粉的生产现状和技术进展,系统总结了钴粉制备方法,同时介绍了钴粉在硬质合金中的应用,并对其发展方向提出了建议。
硬质合金;钴粉;发展现状
金属钴因具有优良的物理、化学和机械性能,是制造硬质合金、金刚石工具、耐高温合金、高强度合金、磁性材料,以及催化剂、充电池、陶瓷行业、工业爆破剂和火箭燃料等产品的重要材料[1],特别是在硬质合金领域应用最为广泛[2]。硬质合金因具有高硬度和耐磨性等一系列优良性能,被号称为“工业的牙齿”[3],钴作为粘结相金属是硬质合金最优良的粘结剂[4],因此,硬质合金行业与钴工业的发展是相辅相成的。
为了提高硬质合金性能, 满足科技和工业发展的需要,在硬质合金的研究和生产中,除了对多种碳化物硬质相进行精确选择和对工艺设备不断改进外, 还要对钴粉的纯度、粒度及形貌提出更高的要求[5],而不同制备工艺得到的钴粉,其纯度、粒度及形貌等性能也不同。本文介绍了钴粉的生产现状及技术进展、制备方法及其在硬质合金中的应用,并对其发展方向提出了建议。
1.1国内外钴粉生产基本情况
在国内钴资源贫缺,而且金属钴属于不可再生的战略性资源。钴每年消费量远远大于生产产量,国内钴资源的消耗巨大,在各种行业中钴的需求也日益增加。目前,国内从事钴粉、氧化钴、电解钴及各类钴盐生产的厂家有40多家,其生产技术更新速度缓慢,大多还处于20世纪60、70年代的水平,生产设备落后,劳动生产效率低,机械化和自动化程度较低,这导致产品的产率较低,能耗大,生产成本高,且对环境污染较大[6-7]。国内钴粉的生产主要是采用还原法,该方法是通过化学沉淀法制备草酸钴粉末,再经过煅烧氢还原而得到钴粉[8]。总的来说,国内钴粉生产标准较低,品种单一,生产技术落后。从钴粉粒度来看,国内生产的钴粉粒度一般为1.0~3.0 μm,只有个别厂家可以批量生产1.0 μm 以下的钴粉;从钴粉形貌来看,一般采用还原法制备的钴粉其形貌呈树枝状;从化学纯度来看,与国外先进生产厂家相比,国内钴粉化学纯度较低。
国外钴粉生产厂家主要有美国OMG公司、比利时UM公司、芬兰奥托昆普公司等;其中OMG公司是目前世界上最大的钴粉生产厂家,而且技术力量雄厚,生产的多种规格钴粉广泛应用于金刚石工具、催化剂和硬质合金等领域[9]。国外OMG、UM公司生产钴粉主要有3种工艺[10],使用不同生产工艺制备的钴粉在粒度、纯度、形状上也有所差异,能满足不同领域的需求,而且这些公司生产钴粉的原料也是多样化, 用氧化钴、草酸盐等不同原料, 根据不同应用领域生产不同品种的钴粉。在粒度方面,加拿大舍利特国际公司用湿法冶金工艺生产0.9 μm的超细钴粉,比利时UM公司已研制出0.7~0.8 μm超细钴粉,并年产25 t投人市场,供不应求[11]。
1.2国内外钴粉生产发展趋势
国内外钴粉生产发展趋势主要有以下几个方面。
1.2.1 超细钴粉和纳米钴粉 粒度为0.4~0.8 μm的超细钴粉,可以减少球磨时间以及降低烧结温度,提高合金耐磨性和抗裂性,广泛应用于微细硬质合金、集成电路板的微型钴(最小直径达0.1 mm)和打印针(直径为0.08 mm)的生产。此外,纳米硬质合金的强度与硬度能高度和谐统一,其使用寿命也比普通硬质合金提高2~4倍,但要成功制得纳米硬质合金意味着需要对原料钴粉粒度提出更高的要求,因此,国内外纷纷致力于超细钴粉和纳米钴粉的研究工作[12-13]。
1.2.2 高密度钴粉和球形钴粉 加拿大舍利特国际公司用湿法冶金工艺生产的钴粉其松装密度为2.8~3.5 g/cm3[14];潘泽强[15]等将钴的化合物Co(OH)2与有机多元醇形成悬浮液,在194 ℃的条件下加热回流2 h,制得平均粒径为0.88 μm的均匀球形钴粉;用喷雾法生产的钴粉完全是球形颗粒,但是颗粒很粗,粒径一般为40 μm左右。
1.2.3 高纯钴粉 为制取高纯钴粉,溶剂萃取法已被世界上许多重要钴生产厂家采用。在我国,溶剂萃取技术已经成为一种非常重要的湿法冶金手段。离子交换作为一种现代分离技术具有金属收率高、无渣等优点,因而被广泛应用在湿法冶金中以回收和净化许多重要的有价金属。目前国际镍公司的港镍 (PortColborne)冶炼厂用螯合离子交换树脂从钴电解液中净化除Ni、Zn,我国金川镍钴研究设计院也用离子交换-电积法制取了99.999%的高纯钴,从而使钴粉纯度得以大幅度提高[16-19]。
2.1水雾法
水雾法属于机械制粉法,是直接击碎液体金属或合金而制得粉末的方法,应用较广泛。此方法是指使用压力为 5~50 MP的高压水流,击碎处于融熔状态的金属液流,制取金属粉末的一种物理方法[20]。将按配方要求称量好的钴块放置于中频感应熔炼炉中加热熔化,然后倒入漏包炉,并在此前启动高压水雾化制粉装置。漏包炉中的金属液经底部漏嘴流出,熔穿密封片进入雾化装置,在来自环孔喷嘴的高压水流冲击下,被击碎成无数细小液珠并迅速冷凝,形成水、粉混合物坠人雾化筒体下方的稳流器中,制得的湿粉经脱水、干燥后得到超细钴粉。
水雾法的机理,粉末颗粒平均直径和水流速度之间存在一个简单的函数关系,即
(1)
式中:d平为粉末颗粒平均直径;C为常数;v水为水流速度;α为金属液流轴与水流轴之间的夹角。
东建中[21]等人采用:配料→熔化→雾化→水、粉分离→湿粉收集→脱水→干燥→成分分析→筛分→包装→成品入库的工艺流程,控制雾化工作压力5.89×105~11.77×105Pa制备出了纯度大于99.5%、松装比为4.0~4.2 g/cm3的钴粉。用水雾法制取钴粉,制备条件容易控制、安全、无污染、工人劳动强度低,所得的超细钴粉粒度分布窄,抗氧化性强,生产率高,但此法设备投资大,成本高因而不易实现工业化生产。
2.2氢还原法
草酸钴或氧化钴氢还原法是国内制备钴粉采用的主要方法[22-25]。开始硬质合金用钴粉主要是用草酸钴先经过煅烧得到氧化钴,再进行氢还原的方法生产的;近来,氢气直接还原草酸钴制备钴粉的生产工艺显示更多的优越性,市场率逐步增加,它缩短了工艺流程,从而提高效率和产量[26]。
2.2.1 煅烧还原法 草酸钴先经过煅烧得到氧化钴,然后氢还原制备钴粉。在煅烧过程中先加热进行脱水反应脱去草酸钴中的水分,然后在600~700 ℃下煅烧2-3 h,使草酸钴(CoC2O4)分解成纯的Co2O3,其反应过程如下[27]:
2CoC2O4+3/2O2=Co2O3+4CO2
(2)
2CoC2O4+O2=2CoO+4CO2
(3)
2CoC2O4+1/2O2=Co2O3+2CO2+2CO
(4)
3CoC2O4+O2=Co3O4+6CO2
(5)
草酸钴的干燥可在干燥柜中进行,而煅烧过程一般在回转炉或管式电炉中进行;若煅烧局部温度过高,可能会导致氧化钴颗粒长大。干燥的草酸钴在500~550 ℃煅烧得到的氧化钴其松装密度为0.6~0.7 g/cm3,粉末呈灰黑色。但是如果煅烧温度控制在450~500 ℃,得到的氧化钴其松装密度则低于0.6 g/cm3。分解提纯后的氧化钴在直热式四管还原炉中500 ℃下氢还原2-3 h即可得到钴粉,其反应过程是:
Co2O3+3H2=2Co+3H2O
(6)
Co3O4+4H2=3Co+4H
(7)
CoO+H2=Co+H2O
(8)
2.2.2 氢气直接还原法 氢气直接还原法其反应方程式如下:
2CoC2O4+3H2=2Co+3CO2+3CO
(9)
草酸钴直接氢还原生产钴粉,其工艺简单,效率高,得到的钴粉粒度更细;但是也存在一些缺点,傅小明[23]等研究表明草酸钴直接氢还原得到的钴粉流动性和分散性较差。
采用氢还原制备钴粉,要消耗大量氢气,使生产成本大大增加,制备的钴粉纯度约为99.6%,平均粒度为0.6~1.5 μm,粉末形貌呈树枝状或针状,流动性较差,不利于进一步生产优质的硬质合金。
2.3草酸盐热分解法
草酸盐热分解法是较新的一种金属钴粉生产工艺,1977年芬兰Outokumpu Kokkolar厂率先将其用于工业生产。随后,英国MH-Carolmet等多家国外公司,也先后采用草酸盐热分解法生产硬质合金用钴粉[27]。此方法采用纯盐酸溶解高纯电解钴片或钴粒,经除Fe、Mn、Cu、Ca、Ni等工序后得到纯净CoCl2溶液,再用过量25%~50%草酸铵或草酸沉淀析出草酸钴,该沉淀经充分洗涤,除去水溶性杂质后,得到含2个结晶水的草酸钴(CoC2O4·2H2O)。在草酸钴热离解之前, 要进行干燥,干燥是此工艺的关键过程,应该准确控制温度,确保完全脱去CoC2O4·2H2O中的结晶水,而又不能让料层表面被氧化为氧化钴,否则无法进行下面的热解离[28]。一般在190~200 ℃条件下真空干燥2 h,即可除去全部结晶水。然后在有气氛保护的加热炉中进行热离解,解离温度为420 ℃,一般采用二氧化碳作为保护气体[29]。最后得到粒度细而且分布均匀,形貌呈球形的高纯钴粉。该工艺生产钴粉因不用H2而使得生产成本大大降低,所生产的钴粉纯度高,纯度为99.9%,平均粒度为1 μm左右,但由于该工艺干燥温度难以控制,且需要保护气体而不能进行规模化生产[30-31]。
2.4电解法
电解法制备金属钴粉用电解钴板做阳极,高度抛光的不锈钢水套做阴极,电解硫酸钴等含钴离子的溶液。当向含有金属钴离子的水溶液中通入直流电时,金属钴离子便在阴极放电沉积,得到超细钴粉,为了防止沉积过程颗粒团聚,一般在溶液中加入胶体添加剂[32]。其中温度、电极的距离、电解质组成、电解质浓度、溶液中胶体添加剂的存在、某些副反应、待沉积金属性质、阴极形状等都对阴极沉积物的结构和性能都有一定影响。
胡伟[33]等人用0.08 mol/L的CoCl2溶液作为电解液,电流密度为160 mA,用体积比为1%的十二烷基硫酸钠作为分散剂,电解1 h后得到了D50粒度为0.72 μm的超细钴粉。
2.5γ射线辐照法
陈祖耀[35]等人用γ射线辐照,用醋酸钴为出发原料,通过调节被辐照溶液浓度、溶液pH值和辐照剂量,直接从水溶液制备出纯净的α-Co超细粉末,其平均粒径为30 nm。刘云鹏[36-37]等人在常温常压下控制反应条件利用γ射线辐照法得到了纳米晶钴粉,粉末最小粒径可达到14 nm。用γ射线辐照法制备钴粉其条件容易控制,所得超细钴粉粒度分布窄,抗氧化性强,但对生产设备要求高,因而不易实现大量工业化生产。
2.6多元醇还原法
多元醇还原法是将含钴前驱体(如四氧化三钴、二水草酸钴、氢氧化钴等)均匀分散在多元醇中,然后将悬浮体加热到液相的沸点,使前者边溶解边被后者还原,于是得到还原产物金属钴粉[38]。在此制备工艺中多元醇的作用是作为液相使含钴前驱体处于悬浮态且均匀分布;其次,它还是一种溶剂和还原剂。
杨声海[39]等人以自制氢氧化钴为原料,用乙二醇为溶剂和还原剂,通过控制条件:氢氧化钴用量150 g/L、氢氧化钠用量40 g/L、表面活性剂 30 g/L、194 ℃回流2 h,制得的钴粉粒度分布较窄,平均粒径为0.88 μm,比表面积为2.705 m2/g,钴含量大于99.5%。用该工艺制备出的钴粉,其形貌呈球形且粒度均匀而细微。该工艺的另一个优点就是生产工艺简单易行, 生产原料多种多样,产品粒度可以调节控制。
2.7微乳液法
微乳液法是一种制备超细粉末的常用方法,2种互不相溶的溶剂在表面活性剂作用下形成乳液,在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。微乳液法制备钴粉基本原理是:氯化钴和硼氢化钠分别存在于各自微乳液的水核中,当2种微乳液混合时,由于胶团颗粒间的碰撞作用,发生了水核内物质的相互交换或物质传递,引起核内化学反应。其制备工艺过程:先把阴离子表面活性剂(乙基己基磺酸丁二酯钠)以0.27 mol/L左右的浓度溶于异辛烷溶液中,再将氯化钴和硼氢化钠分别以一定的浓度溶于此溶液中得到2种微乳液。将2种微乳液均匀混合,混合溶液颜色由浅粉色转为黑色。用丙酮和水作絮凝剂使胶体凝聚,经充分洗涤后过滤,最后把胶体在真空条件下低温干燥即可得到超细钴粉。
用微乳液法生产的钴粉其粒径一般都小于100 nm,粉末粒度分布均匀且形貌为球形, 但流动性较差,该工艺由于所需原料成本较高,制备过程控制复杂,导致大规模生产难以实现[40-42]。
2.8联氨液相还原法
联氨液相还原法是一种制备金属纳米粒子的重要方法。联氨中的分子通过氢键缔合作用, 使其具有较强的还原能力,常被用作还原剂。联氨作为一种还原剂,它的最大特点是,在碱性条件下具有很强的还原能力而且产生的氧化产物是氮气,不会引进其他杂质,联氨在碱性溶液中与Co2+发生氧化还原反应可以形成金属钴,其反应方程式为[43]:
Co2++N2H4+OH-=Co+N2+H2O
(10)
龙沁[44]等用氯化钴为原料,联氨作还原剂,通过控制反应条件:反应温度、联氨浓度、加入一定量添加剂,成功地把钴离子从水溶液中还原出来,得到高纯纳米球形钴粉,粉末粒度分布均匀,其平均粒度为0.2~0.3 μm。该工艺的优点是原料成本低廉,对设备要求低,工艺简单,反应过程无需加热,可一步完成,适于工业化大规模生产。
自从1923年发明硬质合金以来,钴粉一直是用于制备硬质合金最佳的粘结剂,虽然对铁、镍代钴的研究也取得了很大的进展,但是市场上90%的硬质合金仍然采用钴粉作为粘结剂[45]。
作为优良粘结剂的钴粉,硬质合金对其纯度要求特别高。这是由于在所有金属中,钴对碳化钨的浸润能力最强,纯钴几乎能完全浸润碳化钨;纯钴对碳化钨的把持力也很高,这在很大程度上提高了硬质合金强度。若所用钴粉纯度不高,必然会削弱它对碳化钨的浸润能力,从而导致硬质合金的强度下降。此外,当钴粉中掺杂有其他杂质时,例如Ca、Al、Si、S、P等元素,在合金烧结过程中就会在一定程度上影响合金显微结构,以致合金性能下降。在合金烧结过程中铝和磷仍然残留在合金中,钙和硫则会结合成硫化钙而残留在合金中,铝和硅分别以氧化铝和硅酸盐的形式残留在合金中,而钙和硅则有少部分可以挥发出去,因而钴粉中掺杂的其他杂质元素影响了硬质合金的显微结构和性能。如果要尽可能减少杂质对硬质合金性能的影响,就要对钴粉纯度提出更高要求。国外硬质合金企业对钴粉中O、Fe、Ca、Cu、Zn、Mn、Mg、Al、Pb、Si、S等元素的含量有严格要求。
硬质合金除了对钴粉纯度有严格要求外,还对其粒度和形态有很高的要求。国外企业对标准超细钴粉Fsss粒度要求<0.8 μm,对钴粉形貌有明确的要求,要求无链状结构,不存在钴片[46],钴粉的细化和球化对合金性能优化作用主要有以下3点。
1)钴粉细化可以抑制超细WC-Co硬质合金晶粒的早期长大行为。由烧结理论可知,原料钴粉的细化使得钴粉具有更高的活性,从而使物质迁移行为在更低温度下能充分地进行,促使合金完成烧结致密化。这将有效地降低合金致密化温度,使其降低到或低于WC晶粒长大的临界温度,使合金的烧结致密化过程发生在严重早期晶粒长大之前,从而抑制超细WC-Co硬质合金早期晶粒长大。
2)钴粉细化可以提高硬质合金的耐磨性和抗裂性。超细钴粉在合金的致密化烧结时具有更高的活性,可以加快热压烧结时扩散过程的进行。从扫描电子显微镜观察合金断口形貌可以看出,用粗钴粉制备的硬质合金其裂纹是沿着WC-Co和WC-WC晶界扩展的;而用超细钴粉制备的硬质合金其裂纹源是沿着Co相开始的,后者消耗的断裂功比前者要高,因此用超细钴粉制备的硬质合金具有更高的强度。
3)钴粉球化使硬质合金组织结构更均匀、致密化[47];分散性好的球形钴粉制备的混合料其各成分更均匀,因此可以得到组织结构更加均匀的硬质合金。这是由于球形钴粉具有良好的流动性、较高的填充密度、最低的孔隙度和相对摩擦因数,当与WC混合时,表现出良好的可混性,使硬质合金组织结构更均匀、致密化。
随着工业和科技的迅速发展,各行业对钴粉质量的要求也越高,而钴粉的纯度、粒度及形貌直接影响着后续产品质量。国内外钴粉生产发展趋势主要有以下几个方面:超细钴粉和纳米钴粉、高密度钴粉和球形钴粉、高纯钴粉。作者认为应该积极做好以下几方面工作:增加科技创新力度、加快钴粉生产技术革新、改进钴粉生产工艺装备,提高钴粉质量,使钴粉生产连续化,规模扩大化,降低钴粉生产成本,并符合环境保护的要求,如此才能走出我国钴粉产业的困境。
尽管我国钴粉生产在技术、质量水平和工艺装备等方面与世界先进水平仍有较大差距,但只要依靠科技进步,调整产品结构,改进工艺装备,可望在较短期间内提高我国钴粉产品质量,满足工业发展和科技进步对钴粉的需求。
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TheDevelopmentStatusofCobaltPowdersforCementedCarbide
WU Aihua1,TANG Jiancheng2,QIN Deqing2,LEI Chunpeng1
(1.Nanchang Cemented Carbide Liability Company,330013,Nanchang,PRC;2.School of Materials Science and Engineering,Nanchang University,330031,Nanchang,PRC)
Due to the excellent physical,chemical and mechanical properties of cobalt powder,it is widely used in many fields.The current situation and technical development of cobalt powder at home and abroad is introduced,the preparation methods of cobalt powder are summarized. At the same time,application of cobalt powders in cemented carbide is introduced,and puts forward some suggestions on the direction of its development.
cemented carbide;Cobalt powders;development status
2014-06-17;
2014-07-07
吴爱华(1976-),女,江西临川人,硕士,工程师,主要从事硬质合金材料研发和生产工作。
国家自然科学基金项目(51364036)。
10.13990/j.issn1001-3679.2014.04.003
TF123.2
A
1001-3679(2014)04-0433-06