高純鎢粉末還原工藝研究

劉山宇，張宇晴，李曹兵，王蘆燕，陳 釗

（北礦新材科技有限公司，北京 102206）

鎢粉屬于難容金屬粉末，粉末的粒度、粒度分布、流動(dòng)性、松裝密度、氧含量等對(duì)后續(xù)壓制、燒結(jié)、壓力加工具有極其重要的影響，其中粉末的顆粒形狀、顆粒大小及組成和粉末顆粒的表面狀態(tài)等，這些性質(zhì)決定了粉末加工能否正常進(jìn)行，粒度太細(xì)不利于后續(xù)的壓制成型，也容易在儲(chǔ)存過程中吸潮和氧化，降低粉末的活性，從而不利于燒結(jié)，而且特細(xì)粉（粒度1.2μm以下）在高溫下燒結(jié)，當(dāng)燒結(jié)坯體相對(duì)密度接近90%時(shí)，晶粒會(huì)突然長(zhǎng)大，從而得到加工性能極差的粗晶坯；粉末顆粒的松裝密度是粉末的以上的各種性能的綜合表征，粉末松裝密度的大小會(huì)影響金屬粉末壓制成型及軋制；氧含量的高低直接決定了粉末燒結(jié)密度的高低，氧含量高燒結(jié)密度偏低，不利于加工。

本實(shí)驗(yàn)采用純度為99.97%的APT作為還原鎢粉的前驅(qū)粉末將粉末進(jìn)行還原。還原過程主要分為兩個(gè)步驟，即：一次還原和二次還原，在一次還原過程中主要完成鎢酸鹽的分解，生成氧化鎢。在二次還原過程中完成純鎢粉的還原工作。

1 試驗(yàn)

1.1 一次還原溫度

鎢粉的還原過程分為一次還原和二次還原，因此首先需要確定比較合理的一次還原工序的還原溫度，固定一次還原過程的其他工序參數(shù)，通過改變一還原溫度研究還原溫度與還原粉末粒度的關(guān)系，然后對(duì)一次還原粉末進(jìn)行二次還原，探討最終鎢粉末粒度同一次還原溫度的關(guān)系。鎢粉還原過程中的具體工藝參數(shù)為：

一次還原過程：氫氣流量0.5m3/h，裝舟量430g/舟，推速30分/舟。

表1 一次還原溫度對(duì)一次還原產(chǎn)物粉末粒度及鎢粉粒度的影響

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從試驗(yàn)結(jié)果中可以看到一次還原產(chǎn)物粉末粒度隨還原溫度的升高而降低。調(diào)整一次還原溫度可以控制一次還原產(chǎn)物粉末的粒度，一般規(guī)律是粉末粒度隨著一次還原溫度的提高而減小。由粉末壓制的技術(shù)要求粒度2.2左右，因此一次還原溫度為650℃。

1.2 二次還原溫度

一次還原得到的產(chǎn)物一般為鎢的氧化物，其經(jīng)過二次還原即可以使氧化鎢粉還原徹底，而得到純鎢粉。二次還原爐一般設(shè)五個(gè)溫區(qū)，爐管兩端為低溫區(qū)，中間為高溫區(qū)。各溫區(qū)的溫度及溫度梯度對(duì)粉末粒度的影響較為敏感。為研究二次還原溫度對(duì)還原粉末粒度的影響關(guān)系，固定該工序的其他參數(shù)如表2，進(jìn)行條件試驗(yàn)，

表2 試驗(yàn)過程中的具體參數(shù)

溫度及溫度梯度對(duì)鎢粉粒度的影響如表3所示，可以看到適當(dāng)提高高溫區(qū)溫度，同時(shí)降低低溫區(qū)溫度以提高溫度梯度，鎢粉末粒度得以增粗，有利于鎢粉的儲(chǔ)存和活性的保持，同時(shí)有利于改善鎢粉的壓燒性能。

然而鎢粉的粒度不是越粗越好，鎢粉粒度越粗，中頻燒結(jié)時(shí)要求的燒結(jié)溫度，而燒結(jié)溫度越高將導(dǎo)致鎢的組織均勻性越差，最終影響鎢坯的加工性能。

表3 溫度及溫度梯度對(duì)鎢粉粒度的影響

1.3 粉末的粒度分布

通過上述鎢粉末的三種工藝進(jìn)行粒度分布測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。

圖1 工藝1粒度分布圖

圖2 工藝2粒度分布圖

圖3 工藝3粒度分布圖

由圖可知鎢粉的3號(hào)工藝粉末的粒度更符合正態(tài)分布，并且是單峰，而工藝1粒度分布窄、工藝2粒度分布寬，并且均有一個(gè)小的峰值，說明存在較大的鎢粉顆粒，這些大的鎢粉顆粒在燒結(jié)時(shí)需要高的燒結(jié)溫度，最終的燒結(jié)態(tài)組織不均勻，出現(xiàn)密度偏低，孔隙率增大的現(xiàn)象，導(dǎo)致加工時(shí)斷裂，因此工藝1、工藝2的大顆粒鎢粉對(duì)燒結(jié)及加工是極為不利的。

1.4 鎢粉形貌分析

圖4鎢還原粉末在掃描電子顯微鏡下的形貌。還原粉末顆粒形狀均比較規(guī)則，絕大部分為六面體，顆粒尺度范圍較大，從圖中可以看出，鎢粉粒徑在2m～3m范圍內(nèi)，采用費(fèi)氏粒度儀得到鎢粉的費(fèi)氏粒度為2.60m。鎢還原粉末粒度分布的變化勢(shì)必會(huì)影響后續(xù)壓型、燒結(jié)和加工工序，一般來(lái)講粗粉細(xì)粉適當(dāng)比例的混合，會(huì)在后續(xù)壓型、燒結(jié)工序中，適宜得到密度較大的燒結(jié)坯，有利于提高鎢坯密度，改善加工性能。

圖4 還原粉末SEM圖

2 結(jié)論

（1）純鎢粉二次還原工藝：溫度640℃，氫氣流量0.5m3/h，裝舟量430g/舟，推速30分/舟。

（2）純鎢粉一次還原工藝：氫氣流量4.5m3/h，裝舟量600g/舟，推速40分/舟，五個(gè)溫區(qū)分別為750℃、850℃、980℃、980℃、800℃。

（3）還原粉末顆粒形狀均比較規(guī)則，絕大部分為六面體，顆粒尺度范圍較大，鎢粉粒徑在2m～3m范圍內(nèi)，采用費(fèi)氏粒度儀得到鎢粉的費(fèi)氏粒度為2.60m。