高壓坯強(qiáng)度鎢粉工藝研究

付 勝，易 軍，戴湘平

（廣東翔鷺鎢業(yè)股份有限公司，廣東 潮州 515633）

0 前言

近幾年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，鎢制品的應(yīng)用得到快速增長，對難成形的大口徑薄壁管和大尺寸薄鎢板的需求量逐年增多，對產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來越高。鎢制品的物理、力學(xué)性能與壓坯強(qiáng)度密切相關(guān)，而壓坯強(qiáng)度又與鎢粉形貌和粒度分布等材料特征關(guān)聯(lián)。因此制備出具有成形性好、壓坯強(qiáng)度高的鎢粉，是制備高性能鎢或高鎢含量合金制品的基礎(chǔ)［1-4］。

研究通過對鎢粉制備的原料及其主要工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而改善原始鎢粉的粒度分布與形貌，以提高鎢粉成形性和壓坯強(qiáng)度。

1 實驗

1.1 原料及性能

所用的原料均為工業(yè)級產(chǎn)品，其中BTO（化學(xué)式：WO2.9）、PTO（化學(xué)式：WO2.72）、YTO（化學(xué)式：WO3）由APT（仲鎢酸銨）生產(chǎn)，其成分及雜質(zhì)元素含量如表1及表2所示。

表1 APT的WO3含量及物理性能

表2 APT中雜質(zhì)元素的含量 ×10-6

1.2 實驗設(shè)備

1.2.1 生產(chǎn)實驗設(shè)備

生產(chǎn)鎢粉設(shè)備：十五管還原爐（LH-15-1050-5-03，功率：450kW，株洲百泰集團(tuán)公司）；

篩料設(shè)備：超聲波旋振篩（BY600-IZ，轉(zhuǎn)速：1 450轉(zhuǎn)/min，功率：0.5kW，上海霸元公司）；

混料設(shè)備：雙錐混料器（HZH1000L，功率：11kW，頻率45Hz，蘇州市蘇豐機(jī)械制造有限公司）。

1.2.1 檢測設(shè)備

激光粒度分析：馬爾文2000激光粒度分析儀（頻率50Hz，馬爾文儀器發(fā)展有限公司）；

粉末微觀電鏡照片分析：掃描電鏡（KYKY2800B，北京中科科儀技術(shù)發(fā)展有限責(zé)任公司）；

粉末粒度分析：費氏亞篩粒度儀（Sub-sieve sizermodel 95，頻率：60Hz，賽默飛世爾科技）；

粉末松比分析：斯科特容量計（中國鋼鐵研究總院）。

1.3 實驗原理及實驗方法

1.3.1 實驗原理化學(xué)反應(yīng)方程式

鎢有四種氧化物，氫還原過程分四個階段進(jìn)行：

綜合反應(yīng)式：WO3+3H2—→W+3H2O

1.3.2 實驗方法

分別采用常規(guī)粉末制備方法和高壓坯強(qiáng)度粉末制備方法制備兩種粉末，對粉末的粒度、表面形貌等進(jìn)行測試和觀測，然后將兩種粉末分別壓制成型，測試其強(qiáng)度，最后將壓坯燒結(jié)，測試其物理性能。

常規(guī)粉末制備方法：用YTO作為原料于還原爐中進(jìn)行還原，其中料層厚度控制在8～14mm之間，升溫速度為50℃/h，氫氣露點為-65～-70℃；五帶還原溫度分布在750～900℃范圍內(nèi)，在高溫帶中停留時間為150～160min；將還原好的粉末過孔徑0.212mm絲徑0.112mm與孔徑0.100mm絲徑0.060mm的篩網(wǎng)兩遍，最終得到常規(guī)粉末，密封保存。

高壓坯強(qiáng)度粉末制備方法：以BTO、PTO、YTO按2∶5∶10的配比在雙錐混料器中混合2.0h后，將此三種氧化鎢的混合物作為原料，將原料平鋪置于舟皿中，于還原爐中進(jìn)行還原。其中料層厚度控制在10～12mm之間，升溫速度為50℃/h，氫氣露點為-70～-75℃；五帶還原溫度分布在700～950℃范圍內(nèi)，在高溫帶中停留時間為170～180min；將還原好的粉末過孔徑0.212mm絲徑0.112mm與孔徑0.075mm絲徑0.056mm的篩網(wǎng)兩遍，最終得到高壓坯強(qiáng)度粉末，密封保存。

通過以上兩種工藝對比可見，高壓坯強(qiáng)度粉除原料的差異外，還具有溫度梯度分布范圍更寬、在高溫帶停留時間更久、對料層厚度要求更精確、對氫氣露點要求更高及過二遍篩目數(shù)更細(xì)的特點。

2 實驗結(jié)果和討論

2.1 粉末粒度分布

從高壓坯強(qiáng)度粉末激光粒度圖譜（圖1）可以看出，并沒有呈現(xiàn)出完美的正態(tài)分布曲線，在粗（粒度8μm）、細(xì)（粒度1μm）兩端區(qū)間分布均增加了一定的比例，粒度分布較寬，徑距達(dá)到1.964，波峰值較低，只接近于9；而常規(guī)粉末激光粒度圖譜（圖2）則呈現(xiàn)出完美的正態(tài)分布曲線，粒度分布較窄，徑距值僅為1.518，波峰值高達(dá)10.6，粉末粒度分布非常集中，在粗、細(xì)兩端區(qū)間分布均明顯降低。

圖1 高壓坯強(qiáng)度粉末激光粒度圖譜

圖2 常規(guī)粉末激光粒度圖譜

由圖1可見，粗細(xì)粉顆粒均占據(jù)一定的比例，這樣使得粉末顆粒整體分布粒度區(qū)間更廣，細(xì)、粗粉末顆粒占比的增加，使得粉末顆粒之間的能夠更加充分的嚙合，有利于壓坯強(qiáng)度的提高；而由圖2中可見，常規(guī)粉末粒度分布均勻，大部分粉末顆粒分布在中顆粒區(qū)間，由于粉末顆粒大小都非常接近，在壓制過程中不利于有效的填充孔隙，粉末顆粒之間不能夠充分的機(jī)械嚙合，故導(dǎo)致粉末壓坯強(qiáng)度不高。

2.2 粉末的表面形貌

圖3 高壓坯強(qiáng)度粉末SEM圖

通過高壓坯強(qiáng)度粉SEM圖（圖3）與常規(guī)粉末SEM圖（圖4）分別在500、1 000、5 000倍的SEM圖對比可以看出，在500、1 000等低倍電鏡下觀察，圖3（a、b）分別呈現(xiàn)出粉末顆粒團(tuán)聚體較多，而圖4（a、b）則無明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，粉末顆粒粒度分布比較均勻；在5 000高倍電鏡下觀察，高壓坯強(qiáng)度粉中存在大量的細(xì)微粉團(tuán)聚現(xiàn)象，如圖3（c）中實線框所示，且伴隨有大顆粒之間的黏結(jié)，即二次顆粒，如圖3（c）中虛線框所示，而常規(guī)粉末中僅有少量大顆粒黏結(jié)現(xiàn)象存在，如圖4（c）中虛線框所示。

圖4 常規(guī)粉末SEM圖

通過進(jìn)一步對比圖3與圖4，可以分析得出，高壓坯強(qiáng)度粉末顆粒團(tuán)聚體較多，粉末細(xì)、粗顆粒占比較多，顆粒形狀復(fù)雜，表面粗糙，這樣在壓制過程中，顆粒之間由于位移和變形可以互相楔住和勾連，粉末顆粒之間的機(jī)械嚙合更加充分，粉末顆粒之間的聯(lián)結(jié)力增加，從而有利于使壓坯具有較高強(qiáng)度，而常規(guī)粉末顆粒粒度分布比較均勻，表面規(guī)則圓滑，在壓制過程中，不利于粉末顆粒之間的機(jī)械嚙合，從而不利于提高壓坯強(qiáng)度［5］。

2.3 粉末的壓坯強(qiáng)度

高壓坯強(qiáng)度W粉與常規(guī)W粉各項指標(biāo)結(jié)果對比如表3所示：

表3 兩種W粉各項指標(biāo)

通過上表的對比可以看出兩種W粉在費氏（Fsss）粒度相近的情況下，高壓坯強(qiáng)度粉的孔隙度（Poro）明顯偏高，可以推測，高壓坯強(qiáng)度W粉的細(xì)粉含量更多，同時高壓坯強(qiáng)度W粉的松比（Scott）明顯高于常規(guī)W粉，流動性更好，說明高壓坯強(qiáng)度W粉的粗粉含量更多。這些差異也驗證了在激光粒度圖譜（圖1、圖2）對比中，高壓坯強(qiáng)度粉末粗、細(xì)粉占比區(qū)間明顯大于常規(guī)粉末。在最后一項物理性能測試中，兩種粉末壓坯強(qiáng)度呈現(xiàn)出很大的差異，高壓坯強(qiáng)度W粉的壓坯強(qiáng)度高于常規(guī)W粉的壓坯強(qiáng)度數(shù)倍之多。

表3各的數(shù)據(jù)也進(jìn)一步驗證了在費氏粒度相近的條件下，W粉的形貌對于粉末壓坯強(qiáng)度起到?jīng)Q定性的作用。

3 結(jié)論

（1）常規(guī)工藝生產(chǎn)的粉末由于粒度分布較窄，粉末顆粒的粒度均勻，因此在壓制過程中顆粒的間隙不易被填充，最終導(dǎo)致壓坯強(qiáng)度較低；

而工藝改良后，高壓坯強(qiáng)度工藝生產(chǎn)的粉末粒度分布更寬，在壓制成形時，在外加載荷作用下，含有較多細(xì)顆粒的粉末更易自我調(diào)節(jié)，通過移動、滑動和轉(zhuǎn)動，顆粒之間的間隙容易被填充，使壓坯中大孔隙度減少［6］；同時，由于粉末顆粒形狀較復(fù)雜，表面較粗糙，顆粒之間有部分的橋接，形成松散的聚集結(jié)構(gòu)，這使得粉末在壓制中顆粒之間相互嚙合，從而提高了壓坯強(qiáng)度，有利于高性能鎢產(chǎn)品的制備。

（2）采用YTO、BTO、PTO混合物直接氫還原制備高壓坯強(qiáng)度鎢粉，不需要煅燒和其他中間工藝的處理，直接混料還原，過程簡潔，能耗低。該工藝適合于規(guī)?；a(chǎn)。

［1］杜明章，謝 湛，付代軒，等.鎢粉形貌對石油射孔彈穿深性能的影響［J］.測井技術(shù)，2008，32（5）：483-486.

［2］沈春英，丘 泰，宋 濤，等.高性能陰極基體用超細(xì)鎢粉的制備［J］.稀有金屬，2007，31（5）：637-640.

［3］熊湘君，劉盈霞.鎢粉粒度對電極用鎢銅合金組織和性能的影響［J］.粉末冶金材料科學(xué)與工程，2007，12（2）：101-105.

［4］陳 偉，周武平，鄺用庚，等.鎢滲銅材料室溫力學(xué)性能與組織研究［J］.中國鎢業(yè)，2005，20（1）：36-38.

［5］張 立，王元杰，余賢旺，等.干混合對硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)的影響［J］.硬質(zhì)合金，2007，24（1）：24-27.

［6］林高安.鎢粉形貌與粒度分布對成形性和壓坯強(qiáng)度的影響［J］.粉末冶金材料科學(xué)與工程，2009，14（4）：260-264.