碳化工藝對中細(xì)WC粉性能的影響

鐘毓斌，肖　晗，孫　娟，朱　坤

（南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，江西 南昌 330013）

碳化工藝對中細(xì)WC粉性能的影響

鐘毓斌，肖晗，孫娟，朱坤

（南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，江西 南昌 330013）

中細(xì)WC粉末在高檔可轉(zhuǎn)位刀片、球齒、耐磨零件中廣泛應(yīng)用。隨著粉末制備進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)升級，對中細(xì)WC粉末的質(zhì)量提出了更高的要求。研究以1.8～2.0μm的鎢粉為原料，采用3種不同的碳化設(shè)備，在不同工藝條件下，制備出3種中細(xì)碳化鎢粉末。通過采用粒度分布、掃描電鏡圖、合金金相組織圖進(jìn)行比較分析，確定適合耐磨零件的中細(xì)WC粉末的最優(yōu)碳化工藝：使用碳化設(shè)備B，十四管爐制備FSSS粒度1.8～2.0μm的鎢粉，碳化溫度為1 400～1 500℃。

中細(xì)碳化鎢；碳化工藝；粒度分布；掃描電鏡；金相組織

硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、耐腐蝕性［1］，在工業(yè)生產(chǎn)中具有廣泛應(yīng)用。鎢系粉末作為硬質(zhì)合金［2］最主要原料，主要分為超細(xì)納米型粉末［3］、中細(xì)粉末、普通粉末、特粗粉末［4］、超粗粉末。目前研究者多注重研究超細(xì)［5］納米型［6］粉末的制備方法，合金偏聚夾粗［7］的成因機(jī)理與特粗以上粉末生產(chǎn)制備方法及性能［8］等，對中細(xì)粉末類研究相對較少。近年來，隨著粉末制備進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)升級，對中細(xì)WC粉末的質(zhì)量提出了更高的要求，傅小明等［9］研究了用活性氧化鎢制取中細(xì)W粉和WC粉，從一定程度上提高了W粉、WC粉的質(zhì)量，但在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)中較難應(yīng)用。本研究在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用3種不同的碳化設(shè)備、采取不同的碳化工藝溫度，生產(chǎn)出3種WC粉末，對所得中細(xì)WC粉在粒度分布［10］控制方面、晶粒形貌、合金晶粒夾粗方面進(jìn)行研究，并進(jìn)行相關(guān)機(jī)理分析。

1　試驗(yàn)

1.1原料及制備

研究以單根爐管直徑140mm的十四管還原爐，溫度在700～900℃還原黃色氧化鎢，制備得1.8～2.0μm鎢粉。以1.8～2.0μm的鎢粉為原料，采用三種不同設(shè)備的碳化工藝：（1）碳化設(shè)備A工藝，首先采用滾動(dòng)球磨機(jī)將鎢粉、碳粉，按同一定比例混合球磨配碳，然后采用碳化設(shè)備A在1 500～1 600℃的溫度條件下進(jìn)行碳化，將得到的產(chǎn)品進(jìn)行球磨破碎，最后得到碳化鎢粉末產(chǎn)品，稱為樣品1；（2）碳化設(shè)備B工藝，首先采用配碳器將鎢粉、碳粉混合配碳，然后采用碳化設(shè)備B在1 400～1 500℃的溫度條件下進(jìn)行碳化，將得到的產(chǎn)品進(jìn)行氣流破碎，最后得到碳化鎢粉末產(chǎn)品，稱為樣品2；（3）碳化設(shè)備C工藝，首先采用滾動(dòng)球磨機(jī)將鎢粉、碳粉，按一定比例混合球磨配碳，然后采用碳化設(shè)備C在1 500～1 600℃的溫度條件下進(jìn)行碳化，將得到的產(chǎn)品進(jìn)行球磨破碎，最后得到碳化鎢粉末產(chǎn)品，稱為樣品3。

1.2粉末產(chǎn)品及表征

采用丹東粒度儀器廠生產(chǎn)的WLP-208平均粒度儀，對WC粉末進(jìn)行粒度測試；使用美國PE公司生產(chǎn)的Quanta100掃描電鏡，對WC粉末進(jìn)行掃描電鏡分析（SEM）；使用Mastersizer 2000粒度儀，對WC粉末進(jìn)行粒度分布檢測；根據(jù)小球磨試驗(yàn)，驗(yàn)證合金燒結(jié)后的金相組織。

2　分析與討論

2.1物理性能

采用3種不同設(shè)備的碳化工藝制備的碳化鎢粉末的物理性能指標(biāo)如表1所示。

表1　WC粉末樣品的物理性能Tab.1　PhysicalpropertiesofWC powder sam ple

從表1可以得出，同種鎢粉采用不同碳化設(shè)備生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的中細(xì)碳化鎢粉末，粒度（WC粉末FSSS粒度范圍為2.0～2.5μm）、WC總碳含量等物理性能指標(biāo)基本相當(dāng)。

2.2粒度分布分析

使用馬爾文粒度分布儀對WC粉末進(jìn)行粒度分布檢測，對比結(jié)果如圖1所示。

圖1　WC粉末的粒度分布Fig.1　Grain size distribution ofWC powder sam ple

采用3種不同設(shè)備的碳化工藝制備的碳化鎢粉末的粒度分布如圖1所示。從圖1可以看出，碳化設(shè)備A生產(chǎn)的碳化鎢粉末，粒度分布峰偏矮、分布寬度偏寬，這應(yīng)與碳化設(shè)備A的粉末生產(chǎn)溫度均勻性不穩(wěn)有關(guān)；碳化設(shè)備B生產(chǎn)的碳化鎢粉末，粒度分布峰高且尖，這與粉末溫度均勻性優(yōu)、最終產(chǎn)品又經(jīng)過氣流破碎工藝有關(guān)；而碳化設(shè)備C生產(chǎn)的碳化鎢粒度分布居中，這與碳化設(shè)備C碳化時(shí)間長、工藝溫度高有關(guān)。

圖1中WC粒度分布D50位置顯示，碳化設(shè)備A生產(chǎn)的WC的D50＞碳化設(shè)備C生產(chǎn)的WC的D50＞碳化設(shè)備B生產(chǎn)的WC的D50，這與FSSS粒度結(jié)果排序趨勢一致。

2.3顯微組織

通過美國PE公司生產(chǎn)的Quanta100掃描電鏡，對應(yīng)檢測WC粉末，放大10 000倍的掃描電鏡圖片進(jìn)行比較如圖2所示。

采用3種不同設(shè)備的碳化工藝制備的碳化鎢粉末的掃描電鏡圖如圖2所示。從圖2可以看出，樣品1的均勻性差：有大量3～5μm菜花狀團(tuán)聚體，少量5μm以上的菜花狀團(tuán)聚體；極少量3～5μm融合體，極少量5μm以上的融合體，大量1～3μm的融合體。樣品2的均勻性好：有大量3～5μm菜花狀團(tuán)聚體，無5μm以上的菜花狀團(tuán)聚體，少量3～5μm融合體，無5μm以上的融合體，大量1～3μm的融合體。樣品3的均勻性一般：少量3～5μm菜花狀團(tuán)聚體，無5μm以上的菜花狀團(tuán)聚體，有大量3～5μm融合體，極少量5μm以上的融合體，大量1～3μm的融合體。

圖2　3種不同碳化鎢粉的SEM照片F(xiàn)ig.2　SEM imagesof three typesofWC powder samples

從顆粒的融合程度分析，可以得到碳化設(shè)備C工藝優(yōu)于碳化設(shè)備A工藝；碳化設(shè)備A工藝優(yōu)于碳化設(shè)備B工藝。碳化設(shè)備C工藝制備WC的碳化效果最好，可能由于碳化設(shè)備C設(shè)備高溫帶最長、保溫時(shí)間長、溫度高。從粉末的均勻性分析，碳化設(shè)備B工藝優(yōu)于碳化設(shè)備C工藝，碳化設(shè)備C優(yōu)于碳化設(shè)備A工藝。碳化設(shè)備B工藝制備的WC粉末的均勻性最好，這可能與碳化設(shè)備B控溫精度高，WC破碎后續(xù)處理采用氣流破碎有關(guān)。

2.4合金金相組織

使用合金小球磨工藝：WC質(zhì)量比94%，Co質(zhì)量比6%，橡膠添加量為每公斤料添加58 g，酒精添加量為每公斤料0.3 L左右；使用直徑10mm合金球，球料比為4∶1，小球磨時(shí)間為15 h左右，通氫氣燒結(jié)，燒結(jié)溫度為1 400℃。使用該工藝對產(chǎn)品進(jìn)行合金小球磨測試，然后使用奧林巴斯金相顯微鏡拍照得金相組織圖（見圖3）。

采用3種不同設(shè)備的碳化工藝制備的碳化鎢粉末的合金金相組織圖如圖3所示。從圖3可以看出，樣品1合金有許多0～2μm晶粒，許多3～5μm晶粒，6個(gè)6～7μm晶粒，4個(gè)8～10μm晶粒，3個(gè)10μm以上晶粒，均勻性非常差，夾粗嚴(yán)重；樣品2合金有許多0～2μm晶粒，5個(gè)以下3～5μm晶粒，均勻性好；樣品3合金有許多0～2μm晶粒，許多3～5μm晶粒，2個(gè)6～7μm晶粒，2個(gè)8～10μm晶粒，2個(gè)10μm以上晶粒，均勻性差，有夾粗。

可見，合金金相晶粒均勻性排序?yàn)椋禾蓟O(shè)備B工藝優(yōu)于碳化設(shè)備C工藝，碳化設(shè)備C工藝優(yōu)于碳化設(shè)備A工藝。由合金金相圖比較，適用于耐磨零件使用的WC粉末的生產(chǎn)設(shè)備為碳化設(shè)備B。碳化設(shè)備A工藝產(chǎn)品均勻性最差，可能與該設(shè)備控溫精度一般、產(chǎn)量大有關(guān)。

圖3　3種不同碳化鎢粉的合金金相照片F(xiàn)ig.3　M icrostructurephotographsof three typesofWC powder sam ples

3　結(jié)論

（1）從3種不同設(shè)備碳化工藝生產(chǎn)WC粉末的粒度分布及掃描電鏡性能方面比較，可以得出3種碳化設(shè)備工藝碳化效果排序：碳化設(shè)備C工藝優(yōu)于碳化設(shè)備A工藝；碳化設(shè)備A工藝優(yōu)于碳化設(shè)備B工藝。

（2）從3種不同WC粉的合金金相組織分析，碳化設(shè)備B工藝碳化生產(chǎn)的碳化鎢粉末制備出的合金的均勻性優(yōu)于碳化設(shè)備C工藝；碳化設(shè)備C工藝生產(chǎn)的碳化鎢粉末制備的合金的均勻性優(yōu)于碳化設(shè)備A工藝。

（3）適合耐磨零件的WC粉末產(chǎn)品碳化工藝為：十四管爐制備FSSS粒度1.8～2.0μm的鎢粉，使用碳化設(shè)備B，碳化溫度為1 400～1 500℃。

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Effectof Carbonization Processon the PropertiesofM iddleand FineGrainWCPowder

ZHONGYubin，XIAOHan，SUN Juan，ZHUKun

（NanchangCemented Carbide Limited Liability Company，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

Themiddle and fine grainWC powder iswidely used in advancedmovable blades，sophisticated spherical shape bitsand wear-resistantparts.The industrialupgrading requiresa higher quality ofmiddle and fine grainWC powder.By using different carbonization processes，threemiddle and fine grain WC powderswere prepared out of tungsten powder with particle size of 1.8～2.0μm.The analysis of the size distribution，scanning electron microscope andmetallographic structure led to the optimal carbonization process，using the carbonization equipment B，the Fsss grain size 1.8～2.0μm tungsten powder is prepared by fourteen tube furnace，and the carbonization temperature is1 400～1 500.

middleand finegrainWCpowder；carbonization process；size distribution；scanningelectronmicroscope；metallographic structure

TF125.2+41

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.011

2015-12-18

鐘毓斌（1980-），男，江西都昌人，工程師，主要從事鎢及鎢系產(chǎn)品的生產(chǎn)研究工作。