球形碳化鎢粉末制備技術(shù)的探討

劉文勝，鄒海平

（1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056021；2.江西悅安超細(xì)金屬有限公司，江西 大余 341500）

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，硬面材料的發(fā)展十分迅速，特別是其應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，如HVOF法（超音速熱噴涂）、PTA法（等離子噴涂）等，對(duì)硬面材料的特性及使用性能提出了新的要求，而碳化鎢粉末作為一種重要的熱噴涂材料，正在宇航、電子信息、電力、能源、石油、化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用［1］?，F(xiàn)用的熱噴涂碳化鎢粉末通常采用鑄造方法生產(chǎn)，粉末呈多角狀，流動(dòng)性差且硬度低，難以滿足高性能熱噴涂材料的要求。

與普通多角狀碳化鎢粉末相比較，球形碳化鎢粉末具有兩個(gè)顯著的特點(diǎn)：一是外觀呈球狀，粉末流動(dòng)性好，涂敷后的工件表面質(zhì)量高；二是粉末內(nèi)部晶粒細(xì)、硬度大、涂層的耐磨性更好［2］。球形碳化鎢粉末作為熱噴涂的高新材料，由于其制備技術(shù)的獨(dú)特性和優(yōu)異的使用性能，已引起國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)和研究者的密切關(guān)注，投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)。本文依據(jù)一般工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)流程模式，從原料、熔融方式、球形化方式及技術(shù)特點(diǎn)等方面對(duì)各種方法進(jìn)行對(duì)比分析，指出超高溫熔煉氣體霧化法是一種生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量大、制備粉末粒度可控性強(qiáng)、工業(yè)化程度高的方法，是球形碳化鎢粉末制備的首選技術(shù)。

1 原料

球形碳化鎢粉末的制備方法有多種，每一種方法都有對(duì)應(yīng)的原料和處理方式。表1為各制備方法原材料及處理方式的對(duì)比。

表1 各種制備方法的原材料及處理方式

從表1可以看出，離心旋轉(zhuǎn)冷凝法的原料除鎢粉和碳黑外還需要添加黏結(jié)劑，而且處理方式也比較繁瑣。感應(yīng)或電阻加熱球化法和等離子體球化法采用鑄造碳化鎢，成本較高。其他方法采用常規(guī)的鎢粉和碳黑，并且返回部分不合格的碳化鎢，通過(guò)配比達(dá)到生產(chǎn)要求，大大降低了生產(chǎn)成本。

2 熔融方式

各種制備方法所使用的原料通過(guò)對(duì)應(yīng)的方法進(jìn)行處理后給料至熔融設(shè)備，表2為各種制備方法原材料熔融方式的對(duì)比。

從表2可以看出，離心旋轉(zhuǎn)冷凝法、旋轉(zhuǎn)霧化法和離心旋轉(zhuǎn)冷凝法均采用電弧在不同的設(shè)備上加熱原料使其熔融。感應(yīng)或電阻加熱球化法通過(guò)感應(yīng)或電阻加熱反應(yīng)器，同時(shí)物料在其內(nèi)被逐級(jí)加熱到球化溫度，并依靠爐管的振動(dòng)緩慢向前移動(dòng)，一旦物料的分散未控制好，熔融液滴便因碰撞、黏結(jié)長(zhǎng)大，粒度控制困難，而且粉末在運(yùn)行過(guò)程中，不得與反應(yīng)器接觸，否則會(huì)影響整個(gè)球化過(guò)程的進(jìn)行、且造成物料的浪費(fèi)。等離子體球化法是由等離子焰把氬氣流加熱到3 000～10 000℃的高溫，使鑄造碳化鎢顆粒熔融成液態(tài)。氣體霧化法是將雙中頻石墨管式高溫熔煉爐預(yù)熱至2 600～3 500℃后，在惰性氣體保護(hù)下將原料送入管式爐腔，在自由下落過(guò)程中將其熔煉成碳化鎢熔液滴或熔液束，該過(guò)程為全密封式熔煉。

表2 各種制備方法的原材料熔融方式

3 球形化方式

原料通過(guò)加熱設(shè)備熔煉成熔液后，各種制備方法通過(guò)不同的方式對(duì)熔液進(jìn)行球形化，見(jiàn)表3。

表3 各種制備方法的熔液球形化方式

從表3可以看出，離心旋轉(zhuǎn)冷凝法、旋轉(zhuǎn)霧化法和離心旋轉(zhuǎn)冷凝法均是液滴落到旋轉(zhuǎn)臺(tái)或旋轉(zhuǎn)盤(pán)上，按一定速度旋轉(zhuǎn)，通過(guò)離心力分散成液滴，然后讓液滴自行收縮成球形顆粒。感應(yīng)或電阻加熱球化法和等離子體球化法是熔液直接快速冷凝成球形顆粒。氣體霧化法是將熔融碳化鎢熔液經(jīng)爐管下端的錐形管口或噴嘴輸出并置于高壓噴射的惰性氣體的強(qiáng)氣流環(huán)境中，使熔液滴或熔液束在高壓強(qiáng)氣流的沖擊下在霧化成形容器中霧化成球形粉末并沉積于容器底部。

4 特點(diǎn)

上述對(duì)比介紹的任何一種制備技術(shù)均能制備球形碳化鎢粉末，而且碳量穩(wěn)定、流動(dòng)性好、組織致密、顯微結(jié)構(gòu)為細(xì)等軸的樹(shù)枝狀共晶組織、產(chǎn)品顯微硬度高，具有非常優(yōu)良的應(yīng)用性。通過(guò)上述從原料、熔融方式和球形化方式對(duì)比可以看出每種方法都有各自的特點(diǎn)，表4為各方法技術(shù)特點(diǎn)的對(duì)比。

表4 各種制備方法的技術(shù)特點(diǎn)

從表4可以看出，離心旋轉(zhuǎn)冷凝法、旋轉(zhuǎn)霧化法和離心旋轉(zhuǎn)冷凝法均因生產(chǎn)效率較低，不適宜產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。感應(yīng)或電阻加熱球化法在超高溫下鑄造碳化鎢的分散控制難度大，工藝流程長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低。等離子體球化法則因能耗高、設(shè)備投資大、運(yùn)行費(fèi)用高等原因，難以產(chǎn)業(yè)化。氣體霧化法則采用特殊高溫熔煉裝置將原料在爐管中熔化，燒損小，生產(chǎn)工藝緊湊簡(jiǎn)單，成本低，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)產(chǎn)業(yè)化作業(yè)，生產(chǎn)效率高，并且該方法還適應(yīng)于生產(chǎn)其他高熔點(diǎn)球形粉末（如球形鎢粉），具有一定的工業(yè)化價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)從原料及其處理方式、熔融方式和球形化方式對(duì)各種制備方法進(jìn)行對(duì)比分析，超高溫熔煉氣體霧化法是一種生產(chǎn)成本低、產(chǎn)量大、制備粉末粒度可控性強(qiáng)、工業(yè)化程度高的方法，是球形碳化鎢粉末制備的首選技術(shù)。

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