物理破碎法改善鉬粉性能對TZC鉬合金頂頭密度影響的研究

周 偉,盧 靜,陳雙柏,蔣 兵

(1.中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室,湖南 長沙 410083) (2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川 自貢 643011) (3.湖南有色金屬研究院,湖南 長沙 410015)

物理破碎法改善鉬粉性能對TZC鉬合金頂頭密度影響的研究

周 偉1,2,盧 靜1,陳雙柏2,蔣 兵3

(1.中南大學(xué)粉末冶金國家重點實驗室,湖南 長沙 410083) (2.自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司,四川 自貢 643011) (3.湖南有色金屬研究院,湖南 長沙 410015)

鉬粉中普遍存在的粗大、聚集顆粒降低了鉬粉的松裝密度、搖實密度,使鉬粉在松裝時形成拱橋效應(yīng),影響鉬粉的壓制性能;進(jìn)而在制備TZC鉬合金頂頭過程中直接形成粗大晶?；蛞驘Y(jié)長大而形成異常粗晶,造成頂頭使用性能差。利用物理破碎機對鉬粉進(jìn)行機械粉碎試驗后,消除了鉬粉中的粗大、聚集顆粒,提高鉬粉的松裝密度、搖實密度,對改善鉬粉的粒度組成分布具有非常明顯的效果,進(jìn)而也使鉬合金頂頭的密度相應(yīng)得到提高。

TZC鉬合金頂頭;物理破碎;粒度組成

0 前 言

高鎳鉻不銹鋼管已被廣泛應(yīng)用于國防及其他各工業(yè)領(lǐng)域,國內(nèi)生產(chǎn)這種鋼管用的熱穿孔頂頭,從1966年以來由鑄態(tài)鉬基頂頭取代了以前的模具鋼或工具鋼頂頭。但隨著產(chǎn)品性能的不斷提升,對頂頭的要求也越來越高,鑄態(tài)鉬基頂頭因晶粒粗大且不均勻,塑性較差而使用壽命較短,同時鑄錠加工成型金屬切屑多,生產(chǎn)周期較長,成本高[1～3]。為了克服鑄態(tài)鉬基頂頭在工藝、性能等方面存在的缺陷,我國在20世紀(jì)70年代就已經(jīng)開始成功地采用粉冶態(tài)鉬頂頭來穿制各種無縫鋼管,特別是用于穿制不銹鋼的無縫鋼管。粉冶態(tài)鉬合金頂頭的平均使用壽命為鑄態(tài)鉬頂頭的1.5～2倍,原料的消耗為鑄態(tài)的50%,耗電減少90%以上[4]。因此,現(xiàn)在已廣泛用于不銹鋼管制造業(yè)當(dāng)中。

然而,TZC鉬合金頂頭制備過程中往往受到原料鉬粉性能的影響,比如普通還原工藝生產(chǎn)的鉬粉中普遍存在有粗大、聚集顆粒,使得鉬粉的松裝密度、搖實密度低,在松裝時形成拱橋效應(yīng)嚴(yán)重,壓制時裝填困難,從而影響鉬粉的成型性能;鉬粉的粒度組成分布不理想,不成正態(tài)分布,激光粒度分析向偏粗方向偏移。這類粗大、聚集顆粒在生產(chǎn)TZC鉬合金頂頭制品過程中直接形成粗大晶?；蛞驘Y(jié)長大而形成粗大晶粒,影響制品的力學(xué)性能。因此,如何降低鉬粉中的粗大、聚集顆粒,成為了提高鉬粉及頂頭性能、品質(zhì)研究中的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文主要介紹采用物理破碎技術(shù)對還原鉬粉進(jìn)行機械化處理,改善鉬粉的結(jié)合狀態(tài)、提高鉬粉的壓制性能,進(jìn)而提高TZC鉬合金頂頭的密度。

1 合金制備與實驗方法

采取A、B 2個試樣各30 kg,其中A表示普通還原鉬粉(標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)目過篩1次的篩下物),B表示鉬粉篩上物(標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)目過篩2次后的最終篩上物)。將2個試樣各取50%進(jìn)行物理破碎(編號為FA、FB)。

將A、B和FA、FB 2組試樣以相同的工藝進(jìn)行添加混合,加入C和CeO2、TiH2、ZrH2等添加劑,放入螺旋混合器中混合均勻;經(jīng)混合好的物料過篩(60目)2次,物料顏色均勻一致,目視無結(jié)塊和機械雜質(zhì)。具體成分見表1。

表1 TZC鉬合金頂頭成份要求%

將合金粉末按工藝設(shè)計要求裝入聚氯乙烯塑料軟模中,使粉末分布均勻并保持一定的形狀;粉末裝模后采用大噸位油等靜壓機壓制成φ65 mm的鉬合金頂頭,壓制壓力為180 MPa。壓坯中不允許有浸油現(xiàn)象存在,壓坯卸出后進(jìn)行一定的外形加工,然后再置于中頻爐中多元系固相燒結(jié)成金屬鉬頂頭。

室溫條件下,利用排水法測定合金的相對密度;用H ITACH I S-3000N型掃描電鏡觀察粉末形貌;用Mastersizer 2000激光粒度分析儀測量鉬粉的粒度分布。

2 實驗結(jié)果與討論

粉冶態(tài)鉬合金頂頭采用傳統(tǒng)的粉末冶金工藝,包括配料混合、壓制燒結(jié)。配料前對還原鉬粉中的粗大、聚集顆粒進(jìn)行電子探針高倍數(shù)分析,發(fā)現(xiàn)粗大、聚集顆粒是由很多細(xì)小的粉末顆粒團(tuán)聚在一起而形成的。利用物理破碎機對鉬粉進(jìn)行粉碎試驗后,鉬粉中的粗大、聚集顆粒基本得到消除,鉬粉的松裝密度、搖實密度也相應(yīng)得到提高,進(jìn)而對改善鉬粉的粒度組成及分布具有非常明顯的效果。

2.1 普通還原工藝生產(chǎn)的鉬粉情況分析

(1)松裝密度在0.8～1.2 g/cm3之間;搖實密度在1.8～3.0 g/cm3范圍。

(2)電鏡形貌分析:粗大、聚集大顆粒多、粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重(見圖1)。粉末中存在團(tuán)聚粘結(jié)現(xiàn)象,從而導(dǎo)致粉末過篩困難,篩上物特別多;粗大聚集粉末較多,經(jīng)過電鏡形貌分析可以看出,聚集粉末是由顆粒較細(xì)的粉末相互粘結(jié)在一起而形成的粗大顆粒。

圖1 還原鉬粉電鏡圖片

(3)激光粒度組成分析:激光粒度組成不成正態(tài)分布,分布范圍較寬,粒度不均勻(見圖2)。

(4)純度不高:傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)鉬粉純度只達(dá)到99.9%,而日本某些公司能達(dá)到99.99%～99.999%。

從以上分析可以看出,傳統(tǒng)還原工藝生產(chǎn)的鉬粉的特點是粗大、聚集顆粒多;松裝密度低;篩上物嚴(yán)重;純度不高,而這些都將影響對后續(xù)成品的加工。因此利用物理法消除鉬粉中的粗大、聚集顆粒,改善鉬粉的粒度組成,提高鉬粉的松裝密度有很大的現(xiàn)實意義。

圖2 還原鉬粉激光粒度分布圖

2.2 經(jīng)物理破碎后鉬粉情況

物理破碎的原理是利用物理的方法達(dá)到了消除粗大,聚集顆粒的目的。

表2 物理破碎前后鉬粉物理性能及成份分析

(1)化學(xué)純度、氧含量基本不變。由于物理破碎過程基本不產(chǎn)生熱量,也未帶入外部雜質(zhì),使粉末化學(xué)純度、氧含量基本不變(見表2)。

(2)鉬粉的松裝、搖實等性能得到提高;粉末孔隙度降低。鉬粉經(jīng)過物理破碎,原來結(jié)合較為松散的粗大、聚集顆粒被松散,使粉末顆粒的棱角減少了,減少了粉末顆粒在裝填時的拱橋效應(yīng),提高了松裝、搖實密度。粉末孔隙度由粉碎前的0.6%～0.8%,降到0.4%～0.6%(見圖3)。

圖3 鉬粉粉碎前后電鏡對比圖片

(3)激光粒度組成分布:粗大、聚集顆粒被松散消除,粒度分布范圍縮小,顆粒分布均勻,基本呈正態(tài)分布(見圖4)。

2.3 經(jīng)過物理破碎后的鉬粉制備TZC鉬合金頂頭試驗情況分析

鉬粉經(jīng)過物理破碎后,消除了粗大、聚集顆粒,提高了松裝密度,改善了粒度分布,進(jìn)而提高了鉬粉的壓制性能及鉬合金頂頭的密度(見表4)。

表4 物理破碎前后鉬合金頂頭密度對比

從表4可以看出,經(jīng)過物理破碎處理后,同批次鉬粉生產(chǎn)的鉬頂頭密度有比較大的提高,平均提高的幅度達(dá)到1.5%;鉬粉篩上物經(jīng)過物理破碎后,由很多細(xì)小的粉末顆粒團(tuán)聚在一起而形成的團(tuán)聚顆粒被松散了,粉末壓制性能能滿足TZC鉬合金頂頭生產(chǎn)的要求,密度較好。

圖4 鉬粉篩上物經(jīng)物理破碎前后粒度組成分布對比圖

3 結(jié) 論

(1)物理破碎技術(shù)能夠有效的消除鉬粉中的粗大、聚集顆粒,提高鉬粉的松裝、搖實密度,改善鉬粉的粒度組成。

(2)還原鉬粉經(jīng)過物理破碎后提高了鉬粉的比表面積,提高了粉末的活性,可以活化燒結(jié),提高鉬頂頭密度;經(jīng)過物理破碎處理后,同批次鉬粉生產(chǎn)的鉬頂頭密度平均提高的幅度能達(dá)到1.5%。

(3)鉬粉篩上物經(jīng)過物理破碎后,由很多細(xì)小的粉末顆粒團(tuán)聚在一起而形成的團(tuán)聚顆粒被松散,可以直接制備TZC鉬合金頂頭,密度達(dá)到國標(biāo)要求。

[1] 曾建輝.稀土鉬頂頭材質(zhì)的研究.稀有金屬與硬質(zhì)合金[J].2001,(6):145.

[2] 易永鵬.對粉冶TZC合金鉬頂頭高溫強度影響因素分析[J].中國鉬業(yè),1995,19(5):42-44.

[3] 田丹.粉冶鉬基合金頂頭的生產(chǎn)與質(zhì)量控制[J].中國鉬業(yè),2008,32(2):49-51.

[4] 向鐵根.鉬冶金[M].長沙:中南大學(xué)出版社,2002.

THE INFLUENCE OF IM PROVING POWDER PROPERTIES BY PHYSI CAL FRAGM ENTATI ON ON DENSITY OF TZC MOLYBDENUM ALLOY PENETRATOR

ZHOU Wei,LU Jing,CHEN Shuang-bo,J IANG Bing
(1.State KeyLaboratory of PowderMetallurgy,Central South University,Changsha 410083,Hunan,China) (2.Zigong cemented carbide Co.,Ltd.,Zigong 643011,Sichuan,China) (3.Hunan Nonferrous Institue,Changsha 410015,Hunan,China)

Coarse and aggregate particles commonly found in molybdenum powder induces arch bridge effect easily, which reduces the bulk density and tap density,and affects the compacting properties.It’s easy to form coarse grain during the fabricating processof TZC molybdenum alloy penetrator and abnormal coarse grainwhen sintering,which reduces usage capability.The coarse and aggregate particles will eliminate after they are pulverized by physical fragmentation,which increase the bulk density,tap density and particle size distribution of molybdenum powder, and the density ofmolybdenum alloy penetrator.

TZC molybdenum alloy penetrator;physical fragmentation;particle size distribution

TF125

A

1006-2602(2010)04-0035-04

2010-05-10;修改稿返回日期:2010-05-21

周 偉(1982-),男,工程碩士。