鎢粉制備工藝對壓坯強度影響的研究

謝中華，張秋和，王文華，陳樹茂

（贛州華茂鎢材料有限公司，江西 贛州 341000）

0 引言

鎢合金和鎢制品是發(fā)展現(xiàn)代科技不可缺少的原材料之一，其中硬質(zhì)合金以其高熔點高硬度著稱，被譽為“工業(yè)的牙齒”，廣泛應(yīng)用于航空航天、原子能、船舶、汽車工業(yè)、電氣工業(yè)、化學(xué)工業(yè)等諸多領(lǐng)域，具有極高的科技含量和附加值［1］。我國鎢冶煉技術(shù)水平處于世界中上水平，因此提高鎢合金和鎢制品等高端產(chǎn)品的性能和技術(shù)含量就顯得尤其重要。

高壓坯強度鎢粉純度高、結(jié)合強度大、成型性好、質(zhì)量穩(wěn)定，其壓坯強度高達2.8MPa，用以燒結(jié)成的制品密度大、耐高溫性能好等特點，大大提高了鎢制品的各項理化性能和成品率。廣泛用于航空、航天領(lǐng)域制作火焰噴射器、火箭飛行舵等大制品領(lǐng)域。隨著鎢行業(yè)水平的整體提升，將有比較大的市場需求。

目前國內(nèi)已有相關(guān)的文獻報道由APT直接還原制取鎢粉，改善成形性，如采用偏鎢酸銨（AMT）和仲鎢酸銨（APT）為原料，按照一定比例混合后直接氫還原，或者將偏鎢酸銨和仲鎢酸銨直接一步氫還原后按照一定比例混合來制備高壓坯強度鎢粉的方法，該方法所生產(chǎn)的鎢粉可以在不需要添加任何成型劑的情況下直接成型為強度高的壓坯，壓坯的橫向斷裂強度可達4.0MPa。采用該方法制備的鎢粉可廣泛應(yīng)用于大制品鎢以及鎢合金的制備［2］。但未見提高粉末壓坯強度的報道。筆者采用仲鎢酸銨一步還原法，系統(tǒng)的研究了還原過程中還原溫度、氫氣流量、料層厚度、還原時間等參數(shù)對鎢粉壓坯強度的影響，并分析了各參數(shù)對壓坯強度的影響機制。

1 試驗方法

1.1 試驗原理

該項目采用仲鎢酸銨一步還原法，即將合格的原料仲鎢酸銨，通過四管還原爐，在氫氣氣氛下直接進行還原，最終得到高壓坯強度鎢粉。

1.2 原輔材料

試驗原料為目前國內(nèi)外普遍使用的離子交換法制取的仲鎢酸銨，其費氏粒度為35～44μm，化學(xué)成分含量達到新版國標(biāo)GB/T 10116-2007一級品要求。試驗所用原料APT電鏡分析照片如圖1所示。

圖1 原料APT的電鏡分析照片

試驗輔助材料為氫氣，采用電解水生產(chǎn)氫氣，電解產(chǎn)生的氫氣通過氫氣純化成套設(shè)備凈化，最終得到含水量露點為-30～-60℃的高純度氫氣。

1.3 主要設(shè)備

主要設(shè)備為四管還原爐（最高加熱溫度1 050℃）；費氏粒度儀；掃描電鏡等。

1.4 檢測方法

試驗樣品檢測主要在公司化驗室及北京安泰科技股份有限公司進行，粒度檢測采用費氏粒度儀，鎢粉外觀形貌檢測采用掃描電鏡，雜質(zhì)元素檢測采用發(fā)射光譜儀。最主要的技術(shù)指標(biāo)是粉末的壓坯強度，壓坯強度按照《金屬粉末生坯強度的測定矩形壓坯橫向斷裂法》標(biāo)準(zhǔn)簡介（GB/T5160-2002）提供的標(biāo)準(zhǔn)，檢測其抗彎強度。

1.5 還原工藝

按照一步還原的原理，分別在溫度840℃、890℃、940℃；還原時間90min、100min、120min；料層厚度5mm、7mm、10mm；氫氣流量26m3/h、32m3/h、36m3/h的工藝條件下進行還原工藝研究。

2 試驗結(jié)果及分析討論

2.1 還原溫度對鎢粉壓坯強度的影響

還原時，固定氫氣流量：26m3/h；氫氣露點：-40～-50℃；料層厚度：6～7mm；還原時間：90min。改變還原溫度，選3組溫度參數(shù)，分別為840℃、890℃、940℃。3種不同溫度下還原的粉末粒度及壓制性能見表1，840℃還原的粉末形貌見圖2。

表1 不同溫度下還原的粉末粒度及壓制性能

圖2 840℃還原的鎢粉形貌

APT在890℃進行一步氫還原壓坯強度最高，達到1.72MPa。從圖2電鏡形貌看，890℃時還原所得粉末集中度較高，有粗細粉搭配，且細粉相對較多。有文獻指出，不同原料生產(chǎn)的鎢粉粒度組成不同，使其成型性產(chǎn)生了差異。一般情況下，鎢粉的粒度分布集中度較高，且細粉較多，沒有過于明顯的粗大顆粒，其成型性較好［3］。在試驗中粉末的壓坯強度隨著還原溫度的升高開始逐步提高，隨著溫度再升高，壓坯強度不但不升高，反而下降。這是因為，溫度升高，鎢粉還原速度加快，粒度分布更集中，粗細粉比例較低溫條件下更為不均勻；粗細粉搭配使壓坯強度增高，但隨著溫度繼續(xù)上升，還原粉末的粒度會變粗，而且，過高的還原溫度，容易使鎢粉聚集成團粒［4］，不利于壓制成型，與試驗結(jié)果890℃時還原所得粉末壓坯強度最高相符。

2.2 氫氣流量對鎢粉壓坯強度的影響。

還原時，固定還原溫度：940℃；氫氣露點：-40～-50℃；粉層厚度：6～7mm；還原時間：90min。改變氫氣流量，選3組氫氣流量：26m3/h、32m3/h、36m3/h。3種不同氫氣流量下還原的粉末粒度及壓制性能見表2。

表2 不同氫氣流量下還原的粉末粒度及壓制性能

隨著氫氣流量的增加，粉末的粒度變細，這是因為增大爐管內(nèi)的氫氣流量，降低了氧化鎢和反應(yīng)生成的水蒸氣結(jié)合生成揮發(fā)性水合物WO2（OH）2的分壓，但是壓坯的強度沒有多大的提高。說明單一的改變氫氣流量對粉末的平均粒度影響并不顯著，對粉末的壓坯強度影響也不顯著，但可以控制粉末的粒度在一定范圍內(nèi)。

2.3 料層厚度對鎢粉壓坯強度的影響

還原時，固定還原溫度：890℃；氫氣露點：-40～-50℃；氫氣流量：26m3/h；還原時間：90min。改變料層厚度，選3組不同的料層厚度：5mm、7mm、10mm。3種不同料層厚度的粉末粒度及壓制性能見表3。

隨著料層厚度的增加，壓坯強度有所上升，說明料層厚度增加，粉末還原的氣氛差異加大，表層粉末與底層粉末在還原過程中的條件差異很大，促進了粉末的粒度差異加大，表層粉末粒度更細，底層粉末粒度更粗，出現(xiàn)粒度粗細不均勻，而且可以使粉末的粒度分布更寬，甚至出現(xiàn)雙峰或多峰［4］，但正是這樣的不均勻分布，可以有效提高粉末的壓坯強度。在生產(chǎn)過程中，只要合理的調(diào)劑各工藝參數(shù)，避免鎢粉沉積長大、促使顆粒發(fā)育不完全而形成不規(guī)則的形貌及松散的聚集或橋接結(jié)構(gòu)，從而有利于壓制成型［5-7］。

表3 不同料層厚度的粉末粒度及壓制性能

3 結(jié)論

（1）采用傳統(tǒng)設(shè)備，通過APT直接還原的工藝技術(shù)路線，可成功生產(chǎn)2～3.5μm鎢粉，并且粒度根據(jù)需要可以調(diào)整。所得鎢粉有較好的成型性，壓坯強度可達2.87MPa，較好地滿足了成型工藝要求。

（2）控制最佳工藝參數(shù)在溫度890℃、還原時間90min、料層厚度盡量厚，可得壓坯強度較高的粉末，這樣的粉末有利于壓制成型。

（3）還原溫度和料層厚度是主要影響因素，氫氣流量的影響不十分顯著，生產(chǎn)中要控制溫度適中，料層厚度在工藝許可的條件下盡量厚，使得還原的鎢粉粒度組成要有一定的集中度，粒度分布要寬，要有粗粉和細粉共存，但粗粉不能太多。

（4）采用本工藝解決了傳統(tǒng)流程生產(chǎn)的鎢粉成型性差的難題，簡化了工藝流程，降低了生產(chǎn)成本。

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［2］范景蓮，游 峰，田家敏，等.用偏鎢酸銨和仲鎢酸銨制備高壓坯強度鎢粉的方法：中國，200810031747.8［P］.2008-07-14.

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