高性能煤化工漿料輸出用硬質(zhì)合金噴嘴的制備試驗(yàn)

王娟梅，仝曉楠，高 源

(陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

眾所周知，硬質(zhì)合金以高硬度、高強(qiáng)度以及良好的耐熱性、耐磨性等一系列優(yōu)良性能被廣泛應(yīng)用[1-4]。通常，噴嘴也常以硬質(zhì)合金為原料，在實(shí)際中生產(chǎn)中YG8硬質(zhì)合金較為常用，搭配鋼制模具，并采用冷壓結(jié)合真空燒結(jié)的方法來制備，這便造成了諸多問題存在：一是鋼制模具費(fèi)用高，熱處理比較困難；二是壓制需要的設(shè)備噸位大，模具操作復(fù)雜；三是高溫?zé)Y(jié)變形量，不容易控制收縮和變形；四是后續(xù)機(jī)械加工困難，消耗大量的工時(shí)費(fèi)用；五是生產(chǎn)過程燒結(jié)廢品率高等[5]。

同時(shí)，合金噴嘴也被當(dāng)做煤化工行業(yè)漿料輸出時(shí)的執(zhí)行元件。但由于煤化工漿料具有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、鐵礦石、石灰石等磨損性強(qiáng)、腐蝕性高的成分，為保證漿料輸出時(shí)具有一定的輸出壓力和較長(zhǎng)的使用壽命，所以要求噴嘴具備高耐磨性、高防腐性、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)良特性。因而，對(duì)合金噴嘴的性能改進(jìn)研究成為硬質(zhì)合金行業(yè)和煤化工領(lǐng)域技術(shù)人員的關(guān)注重點(diǎn)。

筆者采用高純石墨模具[6]，并添加鍍鎳短枝碳纖維來改善硬質(zhì)合金噴嘴的性能[7-12]。同時(shí)，采用真空熱壓工藝，達(dá)到了一次成型的效果，制備出的合金噴嘴耐磨性、防腐性、硬度等均有較大的提升，而且實(shí)際應(yīng)用之后，該合金噴嘴也具有良好的使用壽命。

1 材料配方設(shè)計(jì)及工藝方案

1.1 產(chǎn)品形狀尺寸

合金噴嘴產(chǎn)品的形狀和尺寸嚴(yán)格按照?qǐng)D紙來加工，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品尺寸及形狀圖[5]

1.2 模具及配方設(shè)計(jì)

(1) 產(chǎn)品配方如表1所列。

表1 產(chǎn)品配方表 /%

說明：①碳化鎢(WC)粉末：采用10級(jí)WC粉末，粒度在5～7 μm之間，含氧量<0.08%，含碳量為6.08%～6.18%；②鈷(Co)粉：采用電解鈷粉，粒度在3～5 μm之間，純度≥98%，其顆粒形狀為樹枝狀；③鍍鎳短枝碳纖維：采用纖維直徑為5～8 μm，長(zhǎng)度在80～100 μm之間的短枝碳纖維，鍍層厚度約為0.5 μm；④潤(rùn)濕劑：液體石蠟[13]。

(2) 模具

采用高純石墨模具，其石墨含碳量>99%，粒度在20～100 nm之間。

1.3 工藝方案

模具設(shè)計(jì)及加工-原料選擇-混料-真空熱壓成型-機(jī)械加工-檢測(cè)檢驗(yàn)-包裝

說明：①混料：采用螺旋推進(jìn)器式混料機(jī)；②真空熱壓：采用250 T四柱真空熱壓機(jī)，每平方厘米的單位壓力為50 GPa，真空度保持在-0.020 GPa，燒結(jié)溫度為1 380 ℃，保溫時(shí)間為30 min；③檢測(cè)檢驗(yàn)：包括密度測(cè)試，表面硬度，抗拉強(qiáng)度，耐磨性，耐腐蝕性，使用壽命；④包裝：防摔、防腐、防撞處理。

2 結(jié)果分析及討論

2.1 產(chǎn)品測(cè)試說明及結(jié)果

(1) 密度測(cè)試：取產(chǎn)品上任意塊，采用型號(hào)為奧豪斯AR3202CN測(cè)試產(chǎn)品密度。

(2) 硬度：采用型號(hào)時(shí)代TIME300洛氏硬度計(jì)對(duì)產(chǎn)品的硬度進(jìn)行測(cè)試。

(3) 抗拉性能：采用型號(hào)為CRS-UTM200MA的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的合金噴嘴進(jìn)行抗拉性能檢測(cè)。

(4) 耐磨性能：采用布魯克UMT TriboLabUMT TriboLab機(jī)械性能與摩擦測(cè)試儀對(duì)制備的合金噴嘴進(jìn)行耐磨性能檢測(cè)，試驗(yàn)時(shí)間為48 h，計(jì)算其單位磨損量。

(5) 防腐性能：采用鹽水噴試驗(yàn)對(duì)制備的合金噴嘴進(jìn)行防腐性能檢測(cè)，采用濃度為5%的中性鹽水連續(xù)噴霧120 h。

(6) 使用壽命：將制備出的合金噴嘴應(yīng)用在該行業(yè)某企業(yè)的煤化工漿料輸出口，測(cè)試其使用壽命。

通過對(duì)制備的合金噴嘴進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如表2所列。

與使用鋼模模具、未添加碳纖維、未添加鍍鎳碳纖維的產(chǎn)品相比較，我們制備的硬質(zhì)合金噴嘴具有更優(yōu)異的綜合性能：①產(chǎn)品的密度≥14.5 g/cm3；②產(chǎn)品的表觀硬度大≥HRC62；③產(chǎn)品的抗拉強(qiáng)度>2200 MPa；④產(chǎn)品的磨損量小于0.002 g/cm2；⑤耐腐蝕性能良好；⑥使用壽命長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月以上。

表2 產(chǎn)品的性能檢測(cè)

2.2 結(jié)果分析

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文的區(qū)別在于采用了高純石墨模具代替鋼制模具，添加了鍍鎳短枝碳纖維，并采用真空熱壓一次成型工藝。分析其原因有以下個(gè)方面：

(1) 采用高純石墨模具所制備的合金噴嘴可以提高產(chǎn)品的綜合性能，原因在于：①高純石墨可以保證模具的純凈度，以防雜質(zhì)與原材料發(fā)生反應(yīng)；②石墨熱壓壓模應(yīng)用于硬質(zhì)合金加壓燒結(jié)方面時(shí)：a.當(dāng)壓制溫度提高到1350～1450 ℃時(shí)，則所需的單位壓力僅為冷壓的10%；b.當(dāng)加壓和加熱同時(shí)進(jìn)行時(shí)，則會(huì)縮短燒結(jié)時(shí)間；③粒度細(xì)小的高純石墨模具可以在硬質(zhì)合金表面達(dá)到滲碳效果，提高硬質(zhì)合金表面的硬度，以提高其耐磨性。

(2) 鍍鎳短枝碳纖維的添加可以有效提高合金噴嘴的防腐性和耐磨性，原因在于：①碳纖維的添加可以提高硬質(zhì)合金的強(qiáng)度和耐磨性；②碳纖維具有耐腐蝕性，添加碳纖維有利于增強(qiáng)硬質(zhì)合金的防腐性能；③碳纖維可以提升硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度，且短纖維的提升效果更為明顯；④鍍鎳有2方面作用：a.為了保證碳纖維和基體材料的潤(rùn)濕性；b.鎳對(duì)酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力，更有利于提高合金噴嘴的防腐性能。

(3) 采用真空熱壓成型工藝，可直接壓制粉體，實(shí)現(xiàn)了一次成型工藝技術(shù)，改善了產(chǎn)品的壓制燒結(jié)致密化，解決了合金噴嘴的成型和燒結(jié)變形問題，而且能夠改善規(guī)格多、模具投入多的困境。

3 結(jié) 語

通過采用高純石墨模具、添加鍍鎳短枝碳纖維、采用真空熱壓成型工藝制備出了煤化工漿料輸出用硬質(zhì)合金噴嘴，大大提高了硬質(zhì)合金噴嘴的耐磨性、防腐性等綜合性能，同時(shí)使得合金噴嘴具有較長(zhǎng)的使用壽命。本文為鍍鎳碳纖維的應(yīng)用擴(kuò)展了新的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)煤化工行業(yè)噴嘴的應(yīng)用開拓了新的思路。