球磨時間對鉬鎢合金粉物理性能及燒結(jié)特性的影響

王 娜，朱 琦，席 莎，安 耿,2，武 洲，何 凱，王 錦

(1.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077) (2.西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室，陜西 西安 710049)

0 引 言

鉬鎢合金是以金屬鉬及鎢組成的合金。鉬和鎢是同族元素，原子半徑相同，同屬于體心立方晶格，晶格常數(shù)相差無幾，能形成均勻的固溶體[1]。其中，含鎢30%(質(zhì)量分數(shù))的鎢鉬合金具有優(yōu)異的耐液態(tài)鋅的腐蝕作用，用以制造煉鋅工業(yè)中的攪拌器、管道和容器內(nèi)襯及其他部件。鎢鉬合金由于具有較高的再結(jié)晶溫度和高溫強度[2]，性能與鎢相近而密度比鎢小，所以也可用作相應(yīng)的高溫條件下火箭、導(dǎo)彈中的高溫構(gòu)件、電子管的燈絲、零件以及其他高溫材料。鉬鎢合金的坯料制備方法有粉末冶金法、真空電弧熔煉法和真空電子轟擊熔煉法3種。粉末冶金法應(yīng)用最廣泛，因為該法工藝簡單并能獲得晶粒細小的合金坯料而有利于后續(xù)的壓力加工。粉末冶金法主要工藝為：將鉬粉和鎢粉按比例進行機械混合制備鉬鎢合金粉；采用冷等靜壓法壓制成坯料；再在通氫的高溫?zé)Y(jié)爐中燒結(jié)成合金坯料；最后將燒結(jié)坯料經(jīng)壓力加工成棒、板、絲或其他型材。

在整個粉末冶金工序中，制備鉬鎢合金粉是第一道關(guān)鍵工序，因此，本文以含鎢30%的鉬鎢合金粉為研究對象，主要探討了球磨時間對合金粉的微觀形貌、松裝密度、費氏粒度及燒結(jié)性能的影響，最終確定出最優(yōu)的球磨時間。

1 實驗過程

選用費氏粒度為3.0～3.5 μm的鉬粉和2.0～2.5 μm的鎢粉為原料，純度達到99.96%以上。采用二步混料法[2]制備鉬鎢合金粉，即：先將設(shè)計質(zhì)量的鎢粉與部分鉬粉進行預(yù)混，再將預(yù)混料與終混料質(zhì)量的1/10分層逐步加入混料機中進行球磨。球磨時間分別為10 h、15 h、20 h和25 h。實驗用鉬粉和鎢粉的微觀形貌見圖1。

圖1 實驗用原料的微觀形貌

鉬鎢合金粉的微觀形貌利用S3400N型掃描電鏡觀察，松裝密度采用斯柯特容量法測量，費氏粒度采用費氏儀測量。鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)金相組織用光學(xué)顯微鏡觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 鉬鎢合金粉的物理性能

圖2 不同球磨時間下的鉬鎢合金粉微觀形貌

球磨工藝中球磨效果主要受球磨時間、球料比、球磨轉(zhuǎn)速及球磨介質(zhì)的影響。固定球料比、球磨轉(zhuǎn)速及球磨介質(zhì)，研究球磨時間對鉬鎢合金粉物理性能的影響。圖2為不同球磨時間下的鉬鎢合金粉微觀形貌。從圖中可以看出，隨著球磨時間的延長，鉬鎢合金粉的平均粒度變小。當(dāng)球磨時間為10 h時，鉬粉和鎢粉顆粒分布不均勻，有團聚現(xiàn)象。當(dāng)球磨時間增加至15 h時，整體的粉末顆粒粒度有所變小，但是仍然有粉末團聚。隨著球磨時間的延長，時間為20 h時，粉末顆粒的團聚基本消除，鉬粉和鎢粉顆粒均勻分布，整體的粉末顆粒粒度變化不大。當(dāng)球磨時間增加至25 h時，粉末顆粒粒度稍有減小，粉末顆粒的團聚也基本消除，鉬粉和鎢粉顆粒均勻分布。由此可見，當(dāng)球磨時間在20 h以上時，可以制備出均勻的鉬鎢合金粉末。

不同球磨時間下鉬鎢合金粉的費氏粒度和松裝密度結(jié)果見圖3。由圖中結(jié)果可見，隨著球磨時間的延長，鉬鎢合金粉的費氏粒度逐漸減小；鉬鎢合金粉的松裝密度逐漸增大。隨著球磨時間的增大，鉬鎢合金粉的大顆粒逐漸減少，小顆粒逐漸增多，說明鉬鎢合金粉在混合過程中，顆粒之間通過相互摩擦，將單顆粒或二次顆粒通過范德華力黏結(jié)而成的團聚顆粒即假性顆粒打碎，從而出現(xiàn)了更多更細的單顆粒或二次顆粒。由于鉬鎢合金粉中大顆粒被打散減少，細小顆粒增多，因此隨著球磨時間的延長，費氏粒度呈減小趨勢，從3.23 μm降至3.15 μm[3-4]。

鉬鎢合金粉的松裝密度隨著假性顆粒之間的縫隙被細小顆粒填塞后，相對體積質(zhì)量越來越大，致使鉬鎢合金粉的松裝密度隨球磨時間的延長而增大，而且當(dāng)混合合時間為25 h時，合金粉的松裝密度增大至2.21 g/cm3，較球磨10 h的合金粉增加了約32%。

圖3 不同球磨時間下鉬鎢合金粉物理性能

2.2 鉬鎢合金燒結(jié)特性

鉬和鎢是同族元素，原子半徑相同(0.316 nm)，同屬于體心立方晶格，晶格常數(shù)相差無幾(0.314 67 nm和0.314 1 nm)，能形成連續(xù)的固溶體。不同球磨時間下的鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)金相組織見圖4。由圖4可見，鉬和鎢形成了均勻的組織。隨著球磨時間的延長，晶粒變細小。在球磨時間20 h以上，能夠制備出顆粒大小均勻、團聚少的合金粉末，在燒結(jié)過程中，顆粒燒結(jié)所需能量基本一致，從而致使燒結(jié)態(tài)鉬鎢合金的組織顆粒均勻分布。與圖5的結(jié)果一致。

不同球磨時間下鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)斷口形貌如圖5所示。由圖5可見，鉬鎢合金的斷口均屬于沿晶斷裂，晶面和晶界處的小凹坑是鎢顆粒脫落后所致。

圖4 不同球磨時間下的鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)金相組織

圖5 不同球磨時間下鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)斷口

隨著球磨時間延長，鉬鎢合金斷口晶粒尺寸變小，與圖4的結(jié)果一致。在固相燒結(jié)過程中，物質(zhì)的遷移主要是通過擴散實現(xiàn)的[5]，擴散是決定合金化的主要動力學(xué)因素，凡是促進擴散的一切條件，均有利于燒結(jié)過程及獲得最優(yōu)的性能。燒結(jié)時，在粉末顆粒接觸面上容易形成穩(wěn)定的晶界，特別是細小粉末燒結(jié)后易形成更多的網(wǎng)狀晶界與孔隙互相交錯，使燒結(jié)頸邊緣和細孔隙表面的過?？瘴蝗菀淄ㄟ^鄰接的晶界進行擴散或吸收，細小粉末顆粒表面能高，表面的活性原子愈多，擴散愈易進行[6]，結(jié)果使得顆粒間距縮短，引起物質(zhì)遷移，燒結(jié)體發(fā)生致密化[7]，這也是隨球磨時間延長，鉬鎢合金相對密度增加的原因。

不同球磨時間下鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)密度見圖6。根據(jù)理論密度的計算公式1，得到含30%鎢的鉬鎢合金的理論密度為11.88 g/cm3，再根據(jù)實測的密度，求得相對密度。隨著球磨時間的延長，鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)相對密度呈增長趨勢。球磨時間在20 h以上時，鉬鎢合金的相對密度可以達到99%以上。

圖6 不同球磨時間下鉬鎢合金燒結(jié)態(tài)密度

(公式1)

式中，ρ理論為合金的理論密度，g/cm3；Xi為合金成分元素的質(zhì)量百分比，%；ρi為合金成分元素的理論密度，g/cm3。

3 結(jié) 論

(1)隨著球磨時間的延長，鉬鎢合金粉的顆粒團聚減少，松裝密度增大，費氏粒度減小，相對密度增大。

(2)當(dāng)球磨時間在20 h以上時，鉬鎢合金粉的顆粒分布均勻，松裝密度增大至2.07 g/cm3以上，費氏粒度減少至3.20 μm以下，燒結(jié)后鉬鎢合金相對密度達到99%以上。