粉碎方式對細顆粒碳化鎢性能的影響

張華民，項培云，蔣福海

(四川自貢硬質(zhì)合金有限責任公司，四川自貢643011)

碳化鎢粉是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的主要原料，制備優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金需要性能優(yōu)良的碳化鎢。采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的中細顆粒碳化鎢，普遍存在多晶和團聚現(xiàn)象，這種多晶和團聚的直徑遠大于正常顆粒，會在合金中形成粗大晶粒［1-5］，因此需要進行各種方式破碎，使粉末更均勻。

采用球磨的方法對細顆粒碳化鎢進行破碎是目前行業(yè)應用較多的加工方式，但破碎效率和粉末質(zhì)量受到限制；氣流粉碎分級作為一種新型高效的破碎方式同時具備粉碎和分級的功能，目前主要用于超細和亞細顆粒碳化鎢的加工，國內(nèi)對氣流粉碎分級在超細碳化鎢生產(chǎn)中的應用研究較多［6-7］，但對于1.0μm以上細顆粒的氣流粉碎分級以及與球磨法的對比研究還未見公開報道。氣流粉碎分級是用高壓氣體通過超音速噴嘴加速成超音速的氣流，射入對撞粉碎區(qū)，使物料流態(tài)化。物料顆粒在高速氣流動能的作用下被加速，在噴嘴射流的交匯點發(fā)生相互碰撞、磨擦而達到粉碎目的。被粉碎的物料隨上升氣流傳送到分級區(qū)，高速旋轉(zhuǎn)的分級輪產(chǎn)生強大的離心場，粒子在離心場受離心力和氣流粘性作用產(chǎn)生的向心力兩個力的作用，當粒子受到離心力大于向心力，即分級徑以上的粗粒子返回粉碎室繼續(xù)沖擊粉碎，分級徑以下的細粒子隨氣流進入旋風分離器、捕集器收集。這種粉碎過程物料可以實現(xiàn)較充分的破碎和粗細分離［8］，而傳統(tǒng)的球磨是一種球與物料的沖擊和研磨破碎，物料與球接觸機會受到一定限制，始終存在部分顆粒未充分破碎，而在后續(xù)過篩時也難完全分離。同球磨過篩工藝相比，氣流粉碎分級具有生產(chǎn)效率高、可連續(xù)操作、粉碎程度高和雜質(zhì)含量低等優(yōu)點，也是碳化鎢破碎技術的發(fā)展方向。

本文對兩種破碎方式所生產(chǎn)的細顆粒碳化鎢的性能和合金質(zhì)量進行對比，初步探討球磨與氣流粉碎工藝對碳化鎢質(zhì)量的影響，為氣流粉碎分級技術在細碳化鎢的生產(chǎn)應用上提供參考。

1 試驗方法

1.1 原料

兩種粉碎方式所需的碳化鎢原料采用相同的鎢粉和碳化工藝制備，其性能符合碳化鎢國家標準GB/T 4295-2018要求。

1.2 試驗設備

球磨設備型號為764YS-555，內(nèi)襯硬質(zhì)合金；氣流粉碎分級設備型號為YQF-260，采用空氣為粉碎介質(zhì)。

1.3 分析設備

ZEISS EVO18掃描電鏡、Rigaku D/max 2500型X射線衍射儀、MASTERSIZER 2000型激光粒度分布儀、Fisher Scientitic 95型平均粒度儀、Monosorb比表面儀等。

1.4 試驗方案

細顆粒碳化鎢分為A、B兩組，其中A組采用球磨法，在固定球料比的條件下，通過調(diào)整球磨時間以達到不同的球磨效果，球磨后的粉末經(jīng)過孔徑75μm過篩；B組采用氣流粉碎分級法，在保持粉碎介質(zhì)氣體流速一定的條件下，通過改變分級輪轉(zhuǎn)速以控制出料的粒度，方案見表1。

所制備合金試樣含鈷8%，氫氣燒結(jié)溫度1430℃。

表1 碳化鎢球磨和氣流粉碎分級試驗方案

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 粒徑與比表面積分析

對各組樣品的FSSS粒度、BET和松裝密度測定結(jié)果見表2。表征碳化鎢粒度的常用方法是采用費氏儀測定粉末的平均粒度，但對于較細的碳化鎢因粉末中團聚粒子的存在需要采用氮吸附法測定比表面積即BET值；粉末流動性也是重要的物理性能，它與粉末的顆粒形貌、粒度和分散性相關，在工業(yè)上以松裝密度來表示流動性。從表2可以看出，球磨法生產(chǎn)的碳化鎢費氏粒度高于氣流粉碎分級法，試樣A-1比B-2粒度高42.4%，說明氣流粉碎分級有利于生產(chǎn)粒度更細的碳化鎢。比表面積結(jié)果表明氣流粉碎分級生產(chǎn)的碳化鎢表面積更大、粒度更細，且這種趨勢隨分級輪轉(zhuǎn)速增加而變得更明顯；試樣B-2比A-1的BET高出109.3%，其變化幅度超過費氏粒度，這是因為氣流粉碎使粉末中的多數(shù)團聚顆粒被分散的緣故，而采用球磨法很難達到這個效果。表征粉末流動性的松裝密度在兩種粉碎方式上也有差異，總體看是氣流粉碎高于球磨法。

表2 粉末性能分析

2.2 粒度分布

粉末的粒度分布是體現(xiàn)粉末質(zhì)量的重要指標，作為硬質(zhì)合金原料的碳化鎢，要求粒度呈正態(tài)分布，分布范圍窄。本試驗以激光粒度儀分析碳化鎢的供應態(tài)粒度分布，參照公式(1)對氣流粉碎分級法的理論切割粒徑進行計算，并與粒度分布進行對比，以此判定分級效果，結(jié)果見表3和圖1。為了對比方便，將切割粒徑換算為μm。

式中：dr：分級粒徑，也叫切割粒徑(m)；δ：碳化鎢的密度(kg/m3)；ρ：空氣的密度(kg/m3)；n：渦輪轉(zhuǎn)速(r/min)；r：渦輪平均半徑(m)；η：空氣粘度(pa·s)；Vr：氣流速度(m/s)。

從表3和圖1可以看出，球磨法的激光粒度D10、D50、D90均大于氣流粉碎分級法，且都存在10 μm以上的顆粒，3小時球磨樣的粗顆粒含量更加明顯。氣流粉碎分級法在轉(zhuǎn)速4800 r/min的樣品中還有部分10μm以上的顆粒，D90也大于切割粒徑dr；經(jīng)過7200 r/min高頻高速分級的試樣B-2的D90已經(jīng)小于切割粒徑dr，最大粒徑小于4.0μm，這種粉末呈現(xiàn)分散性好、粒度分布高度集中的狀態(tài)。從分布的離散性即徑距看，也是氣流粉碎分級法優(yōu)于球磨法。延長球磨時間可以使粒度分布相對集中，但總體粒度仍然比較分散，徑距為1.42，而高頻高速分級徑距為1.01，粉末離散性小。

表3 粉末激光粒度分布

圖1 不同粉碎方式粉末的激光粒度分布

2.3 SEM觀測

通過掃描電鏡可以較好的觀測到粉末的顆粒尺寸和形貌，圖2是四組樣品的SEM照片，總體看球磨法樣品中出現(xiàn)較多的粘連或聚集顆粒，在短時間的3小時球磨樣中出現(xiàn)約10μm較大聚集團粒，在氣流粉碎分級法樣品中聚集顆粒已經(jīng)很少，在高轉(zhuǎn)速分級樣中，粉末已經(jīng)呈現(xiàn)單顆粒分散狀，還有少數(shù)片狀粒子，說明氣流粉碎分級后，團聚得到較徹底粉碎和分散，碳化鎢粉末多以一次粒子出現(xiàn)。

2.4 衍射分析

各組樣品采用X衍射對粉末成分、亞晶尺寸和微觀應變進行測試計算，用以表征碳化鎢粉末晶粒大小、結(jié)晶完整性。對試樣的平均亞晶尺寸及微觀應變可按式(2)和式(3)計算，計算結(jié)果見表4，成分檢測見圖3。結(jié)果顯示，球磨法有較大的亞晶尺寸和較小的微觀應變，而氣流粉碎分級的亞晶尺寸明顯下降，與球磨相比下降幅度超過50%；微觀應變則明顯增加，幅度超過100%。在相同粉碎方法中，球磨時間延長對亞晶尺寸及微觀應變的影響較小而氣流粉碎分級隨分級輪轉(zhuǎn)速提高亞晶尺寸下降和微觀應變增加都較顯著，說明氣流粉碎分級破壞了多數(shù)團聚顆粒，形成了大量的一次粒子和新的表面，因粉碎能量大也使碳化鎢顆粒在碎裂過程中產(chǎn)生較多的應變能。從圖3看四個樣品都是純碳化鎢，衍射峰高呈現(xiàn)規(guī)律變化，即球磨樣品的衍射峰高于氣流粉碎分級；延長球磨時間衍射峰高下降，加大分級輪轉(zhuǎn)速衍射峰高下降；這說明粉末經(jīng)過氣流分散后粒度下降的同時也會產(chǎn)生更多應變，導致衍射強度下降，衍射峰高下降，半高寬增加。

圖2 不同粉碎方式粉末的SEM

式中：D為平均亞晶尺寸，n m；K為常數(shù)，一般取K=1；λ為X射線波長，nm；β—試樣的半高寬，單位rad；θ—半衍射角，單位rad；ε—微觀應變，用百分數(shù)表示。

表4 粉末的亞晶尺寸和應變

2.5 合金制備

四個樣品在相同工藝條件下分別制備成含鈷8%的合金標樣后，檢測其基本性能，結(jié)果見表5，金相見圖4?？梢钥闯龊辖鸬钠骄ЯｋS粉末粒度下降而下降，磁力、硬度和強度則增加，但其變化的幅度遠小于粉末的粒度變化。說明碳化鎢粉碎方式對粉末的性能影響更明顯，而對合金的基本性能有一定影響，高速度分級后合金性能向更優(yōu)的方向發(fā)展。合金的金相則有更明顯的區(qū)別，采用氣流粉碎分級的樣品晶粒更均勻，無5μm以上的大晶粒，而球磨法中3小時球磨的樣品有10μm的大晶粒，6小時球磨有5-7μm的大晶粒，高速粉碎分級的樣品晶粒最均勻，未出現(xiàn)大晶粒。

圖3 不同粉碎方式碳化鎢粉末的XRD

表5 1430℃氫氣燒結(jié)合金性能

圖4 不同粉碎方式樣品合金金相

3 結(jié)論

(1)碳化鎢粒度受粉碎方式的影響，氣流粉碎分級法可以生產(chǎn)粒度更小、比表面積更高的碳化鎢粉。

(2)采用氣流粉碎分級法可以使粉末的激光粒度分布更加集中，其徑距會變小，粉末的均勻性更好。

(3)粉末的微觀應變和亞晶尺寸也受粉碎方式的影響，氣流粉碎分級比球磨法生產(chǎn)的碳化鎢微觀應變度增加，亞晶尺寸下降。

(4)采用氣流粉碎分級方式制備的細碳化鎢具有高度分散，松裝密度大的特性。

(5)兩種粉碎方式的合金在性能指標上有差異，在晶粒均勻性上區(qū)別更明顯，氣流粉碎分級方式制備的合金質(zhì)量更優(yōu)。