超高溫霧化制備球形鑄造碳化鎢粉末形貌控制及性能研究

陳 顥 ，羊建高 ，戴 煜 ，陳米宋 ，呂 健

（1.江西理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.鎢資源高效開發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，江西 贛州341000；3．湖南頂立科技有限公司，湖南 長沙 410111）

碳化鎢粉末作為一種重要的表面材料，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)揮著越來越重要的作用[1-2]。它是由碳化鎢與碳化二鎢組成的共晶體，其共晶體的共晶點(diǎn)的含碳量質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為4.5%，共晶溫度為2 525℃。傳統(tǒng)的碳化鎢生產(chǎn)方法是將一定碳量的碳化鎢粉、鎢粉和生產(chǎn)過程中的返回料混合均勻后盛裝于石墨舟皿中，放入溫度高達(dá)3 000℃左右的可傾式碳管爐內(nèi)進(jìn)行熔煉，傳統(tǒng)方法生產(chǎn)的碳化鎢粉末顆粒大多呈片狀、長條狀或多角狀，晶體中針狀共晶組織含量少。這種粉末在堆焊涂敷時，常在工件表面形成齒弧，在壓力作用下容易產(chǎn)生表面裂紋。球形碳化鎢粉末與普通多角狀碳化鎢粉末相比化學(xué)成分更穩(wěn)定，硬度高，顯微組織為細(xì)等軸樹枝狀，無過共晶和亞共晶，使用時不存在應(yīng)力集中和微裂紋，沒有尖銳邊角，具有比破碎粉末更高的韌性和耐磨性。同時，球形碳化鎢粉末結(jié)構(gòu)均勻致密，利于堆焊和熱噴涂，使得涂敷材料具有很高的抗磨損性和韌性，獲得優(yōu)良的使用性能[3-4]。

對于球形碳化鎢粉體制備，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了較多研究，主要采用水冷坩堝法制備或等離子體法或電弧熔煉法制備[5-8]。如美國專利US4723996提供了一種生產(chǎn)球形碳化鎢粉末的方法和設(shè)備。該方法產(chǎn)量小、工藝流程較長、成本高、不易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，特別是粉體質(zhì)量難以控制。北京礦冶研究總院候玉柏等人以Ar為工作氣體，H2為送粉氣體，用高頻感應(yīng)等離子體炬制備球化鎢粉。球化后的鎢粉在流動速度和松裝密度方面有了非常大的提高。由于受到等離子體束流大小的限制，生產(chǎn)效率低、成本高、產(chǎn)品質(zhì)量難控制、不能實(shí)現(xiàn)大批生產(chǎn)。

本研究在對難熔金屬粉體的制備進(jìn)行了大量的前期研究上成功研發(fā)了超高溫霧化裝備，所研制的超高溫熔煉惰性氣體霧化裝備可使熔體達(dá)到3 000℃以上高溫，并在該狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)霧化[9]。以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用超高溫霧化，制備出形貌較好的球形碳化鎢粉末，研究了超高溫霧化工藝參數(shù)對制備球形碳化鎢的影響規(guī)律，對球形碳化鎢粉末性能及制備機(jī)理進(jìn)行了分析。

1試驗(yàn)

試驗(yàn)在湖南頂立科技有限公司自主研發(fā)的超高溫霧化設(shè)備上進(jìn)行。設(shè)備如圖1所示，主要由九大系統(tǒng)組成，包括給料系統(tǒng)、加熱熔煉系統(tǒng)、熔體輸送及霧化系統(tǒng)、粉末收集系統(tǒng)、分級處理系統(tǒng)、惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)及氣體回收系統(tǒng)等[10]。該設(shè)備將超高溫熔煉和氣體霧化合為一體，解決了超高熔點(diǎn)物質(zhì)的氣體霧化技術(shù)難題。操作時先將爐管加熱3 000℃左右，然后通過給料造粒機(jī)連續(xù)均勻向爐內(nèi)供料，在霧化噴嘴的噴射作用下，一次霧化成粉率≥95%、一次霧化成球率≥90%的鑄造WC粉末。由于采用全密封式加熱與霧化，燒損率非常小，而緊湊簡單的生產(chǎn)工藝事實(shí)上使球形鑄造WC加工成本相對低廉。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)球形鑄造碳化鎢連續(xù)產(chǎn)業(yè)化作業(yè)，生產(chǎn)效率高。

試驗(yàn)以一定粒度的鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前驅(qū)體或多角狀碳化鎢為原料，按照一定的碳量要求進(jìn)行配料混合，然后通過制團(tuán)，按一定的速度加入高溫熔煉氣體霧化爐內(nèi)，經(jīng)過近3000℃的高溫熔化后，熔液進(jìn)入高溫霧化區(qū)，在高純氬氣體的高壓（0.8～1.5 MPa）強(qiáng)力沖擊作用下，形成細(xì)小的液滴，液滴進(jìn)入冷卻區(qū)，依靠其表面張力快速冷卻成球形鑄造碳化鎢粉。

球形鑄造碳化鎢粉體制備完成后，在XJP-100金相顯微鏡、LEO1450掃描電子顯微鏡和M21X型X射線衍射儀上觀察分析其顯微組織和物相組成，采用霍爾流量計對粉體流動性進(jìn)行測量。

圖1 超高溫霧化設(shè)備

2 結(jié)果與討論

2.1 粉末形貌

由于研究所用的超高溫熔煉霧化裝置是整個系統(tǒng)在一密閉的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熔煉與霧化過程的連續(xù)化，試驗(yàn)過程不間斷地進(jìn)行。原料通過給料裝置連續(xù)加入反應(yīng)器中，原料在反應(yīng)器內(nèi)下降的過程中吸收足夠的熱量后熔化。原料熔化成液體后，通過束流孔進(jìn)入霧化器內(nèi)霧化。原料在反應(yīng)器內(nèi)停留的時間為1 s左右，在如此短暫的時間內(nèi)，原料要完成吸熱、發(fā)生反應(yīng)以及WC和W2C熔化形成共晶體等過程，見式（1）。

式（1）屬于固-固反應(yīng)，W顆粒從WC中奪取一定的C后，在W表面層開始發(fā)生反應(yīng)，這種過程不斷進(jìn)行并緩慢滲透到W顆粒內(nèi)部，反應(yīng)完成后生成W2C。W粉的粒度及活性直接影響到整個反應(yīng)過程的進(jìn)行，如果W顆粒沒有完成W2C的轉(zhuǎn)變，由于W的熔點(diǎn)高達(dá)3 410℃，在霧化溫度下則無法熔融，結(jié)果會以W晶粒的形式存在于熔液中或獨(dú)立存在并保留到霧化產(chǎn)品中。同樣地，WC顆粒度及晶粒度也影響反應(yīng)式（1）的進(jìn)行及物料的熔化，影響產(chǎn)品中WC和W2C共晶體的形成。

因此，在霧化過程中，粉體粒度分布及霧化溫度等工藝參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵。試驗(yàn)結(jié)果表明，為了使鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前驅(qū)體顆粒能全部熔化，并完成組元間的反應(yīng)，前驅(qū)體顆粒度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍（80～200 μm）。由于鑄造碳化鎢粉末的熔化溫度為2 525℃，霧化成球則需要更高的溫度。因此把霧化溫度控制在其熔點(diǎn)（2 525℃）以上的適當(dāng)溫度。研究設(shè)計了2 600℃、2 700℃、2 800℃、2 900℃、3 000℃5種溫度方案制備球形碳化鎢粉末。圖2是不同霧化溫度得到的碳化鎢粉末形貌，由圖2可以看出，粉末球化應(yīng)滿足一定的溫度條件，2 600℃時難以球化；2 700℃時，粉末的球化率（已球化的顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的百分比）只有60%，顆粒形貌也不規(guī)則，表面粗糙不平；2 800℃以上溫度才能使粉末全部球化。在2 700℃至3 000℃條件下，隨霧化溫度增加，粉末球化率提高，顆粒表面光潔，形貌趨好。

霧化溫度對碳化鎢粉末球化率和流動性的影響結(jié)果如表1。由表1看出，2 700℃霧化時，粉末的球化率低；2 800℃時，球化率達(dá)90%，2 900℃時，粒球化率為100%。在2 700℃至3 000℃條件下，隨霧化溫度提高，粉末球化率提高，流動性更好。

表1 霧化溫度對碳化鎢粉末球化率和流動性的影響

不同溫度霧化得到的碳化鎢粉末粒度組成如表2所示。由表2看出，在2 700℃～3 000℃條件下，隨霧化溫度提高，細(xì)粉末量增多，粗粉末量相應(yīng)減少。小于45μm的細(xì)粉末分別為0%、0.2%、1.3%、3.4%；大于175 μm的粗粉末分別為18.4%，9.4%，3.5%，0.6%，這說明溫度增高時，碳化鎢熔體的過熱度增大，黏度減小，破碎熔體液滴所需要的能量小，在相同的條件下霧化時，得到的細(xì)粉末量較多。

圖2 不同霧化溫度得到的碳化鎢粉末形貌

表2 霧化溫度對碳化鎢粉末粒度組成的影響

2.2 微觀組織、相結(jié)構(gòu)及性能

圖3是球形碳化鎢粉末宏觀形貌及微觀組織的電鏡照片，可以看出：粉末為球形，表面光滑，粉末的微觀組織細(xì)小，為典型的羽片狀共晶組織結(jié)構(gòu)，表明在整個熔煉和反應(yīng)過程中，前驅(qū)體已吸收足夠的熱量后完成了W到W2C、WC的反應(yīng)，在隨后的冷卻過程中形成了WC、W2C共晶體。

圖3 球形碳化鎢粉末宏觀形貌及微觀組織

圖4為超高溫霧化制備球形碳化鎢粉末的X-ray衍射物相分析結(jié)果。由圖可以看出，只存在WC和W2C兩相組織，在高溫及前軀體顆粒度適當(dāng)?shù)那闆r下，前軀體顆粒吸收了足夠的熱量而全部熔化并發(fā)生反應(yīng)，形成WC和W2C共晶體。

圖4 球形碳化鎢粉末的X-ray衍射物相分析

球形鑄造碳化鎢粉末的化學(xué)成分及物理機(jī)械性能見表3、表4。

表3 球形鑄造碳化鎢粉末的化學(xué)成分

表4 球形鑄造碳化鎢粉末物理機(jī)械性能

2.3 霧化機(jī)理分析

在霧化過程中，金屬液滴形成后，在表面張力作用下，由不規(guī)則狀逐漸趨于球形。在較高的過熱溫度下，液滴在凝固前有足夠長的時間進(jìn)行球化，所以粉末最終呈球狀或類球狀；而在較低的過熱溫度時，金屬液滴經(jīng)一次破碎后就已經(jīng)凝固，或者在二次破碎的過程中凝固，粉末的粒度較粗，液滴也因球化時間遠(yuǎn)小于其凝固時間而成啞鈴或其他形狀。在霧化過程中，熔體的物理性質(zhì)—密度、表面張力和黏度影響著熔體的流動特性和霧化特性。Tate[11]等人研究了液體的物理性質(zhì)對霧化特性的影響。理論上，通過噴嘴的質(zhì)量流率隨液體密度的變化而變化。實(shí)際上，如果沒有液體其他物理性質(zhì)或外部環(huán)境的影響，液體的密度很難改變。由于液體的可壓縮性極小，密度變化不大，所以在多數(shù)情況下，液體密度對霧化過程的影響很小。

霧化使連續(xù)的液體碎裂成細(xì)小的液滴，液滴的穩(wěn)定性取決于液體的表面張力，它阻止液滴表面的變形，表面張力主要控制粉末的形貌，黏度則對粉末粒度產(chǎn)生重要影響。霧化所需的最小能量就等于表面張力乘以液體表面積的增加量。對于一定的熔體，在適當(dāng)?shù)臈l件下，其表面張力和黏度受過熱度的影響，隨著過熱度的增大而減小。

針對過熱度對熔體球化的影響，采用球化指數(shù)描述球化程度（如圖5所示）。所謂球化指數(shù)就是將粉末在正方向投影，以投影的x和y方向長度之比定義為球化指數(shù)，見式2。碳化鎢熔體過熱度（T=霧化溫度-2 525℃）對粉體球化指數(shù)S的影響見圖6。其擬合曲線為：S=1+3/4（T-300）2×10-4。

當(dāng)S=1時，粉體為理想球形；S＞1時，粉體為不規(guī)則形狀。要使粉末球化，必須滿足一定的溫度條件即過熱度條件。從2 700℃到2 850℃，隨著溫度增加，熔體的表面張力和黏度減小，粉末球化率提高。顆粒在較高的過熱度條件下能夠自動收縮成球形。

圖5 球形碳化鎢粉末宏觀形貌及微觀組織

圖6 球形碳化鎢粉末熔體過熱度與球化

3結(jié)論

（1）以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用高溫熔煉、惰性氣體超高溫霧化，可制得流動性好、耐磨性佳、綜合性能優(yōu)良的球形碳化鎢粉末。

（2）當(dāng)2 800～3 000℃霧化時，隨霧化溫度提高，得到的細(xì)粉末增多、粉末的球形度和球化率均提高。

（3）所制得的球形碳化鎢粉末外觀呈球狀，具有良好的流動性，內(nèi)部為細(xì)針狀共晶組織，為WC、W2C純共晶結(jié)構(gòu)，顯微硬度3200HV，霍爾流速6.5s/50g。

（4）考慮熔體過熱度T對粉末球化的影響，采用球化指數(shù)S描述粉末球化的程度，建立了碳化鎢粉末球化指數(shù)S與熔體過熱度T的關(guān)系式。

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