粉體分散方法對細(xì)WC生產(chǎn)過程中粒度變化的影響

張華民，陳貴華，蔣福海

（四川自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司， 四川自貢 643011）

制造硬質(zhì)合金用的WC經(jīng)典工藝是以APT為原料通過煅燒、還原和高溫碳化而得到，這種WC普遍表現(xiàn)為多晶和團(tuán)聚顆粒，粉末的粒度越細(xì)，聚集顆粒也越多，這些團(tuán)聚在合金燒結(jié)時就會形成粗大和聚集晶粒，或者造成鈷相分布不均而產(chǎn)生組織缺陷，最終會降低合金性能［1-5］。團(tuán)聚顆粒按照本身性質(zhì)可分為三鐘類型：①松散型；②緊密型（燒結(jié)型）；③過渡型；不同類型團(tuán)聚的形成原因不同因而分散處理難易程度和方法也不相同。對細(xì)顆粒WC的聚集顆粒形成原因進(jìn)行探討，開展細(xì)顆粒粉末分散技術(shù)研究最終消除或降低團(tuán)聚顆粒數(shù)量，提供一種粒度均勻而分散性好的細(xì)WC是行業(yè)的技術(shù)發(fā)展方向。

國內(nèi)對WC的分散處理技術(shù)包含工藝方法和設(shè)備，采用工藝方法即調(diào)整生產(chǎn)工藝來控制團(tuán)聚數(shù)量，雖然可以取得一定效果，但還不能達(dá)到較理想的狀態(tài)。采用專門的設(shè)備進(jìn)行分散效果較好，目前主要有液相分散、固相機(jī)械分散和氣流粉碎法三類，從效率上看機(jī)械法和氣流粉碎法更高。

由于遺傳效應(yīng)，APT、氧化鎢中的粗大顆粒容易成為鎢粉和WC中的團(tuán)聚體，因此對氧化鎢的處理很有必要。雷純鵬、吳愛華等［6］采用球磨破碎分級的氧化鎢為原料，獲得顆粒細(xì)小、均勻，分散性好的優(yōu)質(zhì)WC粉。姚興旺、郝立偉等［7-8］研究了APT的粒度分布和氧化鎢后處理對超細(xì)WC以及超細(xì)硬質(zhì)合金性能影響，并且通過對比分析得出結(jié)論：粗大顆粒較多的APT，不適合生產(chǎn)細(xì)WC和超細(xì)WC。

還原過程實(shí)現(xiàn)了從氧化鎢到鎢粉的轉(zhuǎn)變，因還原過程中存在揮發(fā)沉積長大，鎢粉最終以多晶聚集形式出現(xiàn)，張瑩瑩、周武平、王鐵軍等［9］分析了細(xì)顆粒鎢粉產(chǎn)生團(tuán)聚的原因和團(tuán)聚對鎢粉球化結(jié)果產(chǎn)生的影響，并通過球磨實(shí)驗(yàn)解決了細(xì)顆粒鎢粉團(tuán)聚問題。王蘆燕、李曹兵、張宇晴等［10］研究了四種分散分級方式，分析了不同鎢粉產(chǎn)物的SEM形貌與粒度分布。結(jié)果表明采用射流分級技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鎢粉精確分級，分級后產(chǎn)物粒徑收窄明顯。

鎢粉經(jīng)過高溫碳化后，依然會出現(xiàn)燒結(jié)長大，而產(chǎn)生新的團(tuán)聚顆粒，對碳化后的粉末進(jìn)行分散處理顯得更為關(guān)鍵［11-13］，目前國內(nèi)同行已經(jīng)有大量的應(yīng)用，其中最為成熟和高效的應(yīng)當(dāng)是氣流粉碎分級，該技術(shù)對提升細(xì)顆粒WC質(zhì)量起到了重要的推進(jìn)作用。

本文對細(xì)WC生產(chǎn)的主要工序進(jìn)行粉末分散試驗(yàn)，探討氧化鎢、鎢粉和WC分散對產(chǎn)品性能的影響，提出粉末團(tuán)聚控制的方法。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料

藍(lán)色氧化鎢、細(xì)顆粒鎢粉和細(xì)顆粒WC，雜質(zhì)含量符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)純級。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

球磨設(shè)備型號為764YS-555，內(nèi)襯硬質(zhì)合金；高速攪拌粉碎機(jī)型號為GS1200L；氣流粉碎分級設(shè)備型號為YQF-260，采用氮?dú)鉃榉鬯榻橘|(zhì)。

1.3 分析設(shè)備

分析設(shè)備有ZEISSEVO18掃描電鏡、RigakuD/max 2500型X射線衍射儀、MASTERSIZER 2000型激光粒度分布儀、FisherScientitic95型平均粒度儀、Monosorb比表面儀等。

1.4 氧化鎢的粉碎處理方案

以APT煅燒制備的藍(lán)鎢為原料，經(jīng)過球磨粉碎分散，方案見表1。

表1 藍(lán)鎢球磨工藝

1.5 鎢粉的高速攪拌分散方案

采用高速攪拌分散設(shè)備，進(jìn)料方式為連續(xù)，加料速度3kg/min，槳葉轉(zhuǎn)速800r/min.

1.6 WC的氣流粉碎分級方案

采用氮?dú)庋h(huán)密閉式氣流粉碎機(jī)，加料速度2kg/min，粉碎壓力0.70Mpa，分級輪轉(zhuǎn)速5000r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 藍(lán)色氧化鎢球磨粉碎

一般細(xì)顆粒碳化鎢粉末的直徑在2.0μm以下，而用于制備鎢粉的普通氧化鎢粒度平均在10μm以上，以此原料制備的細(xì)顆粒鎢粉會形成大量的聚集顆粒，這種聚集顆粒直徑遠(yuǎn)比一般細(xì)顆粒WC的粒度大，對產(chǎn)品質(zhì)量造成危害。本項(xiàng)目采用球磨法對藍(lán)色氧化鎢按照表1的工藝進(jìn)行球磨處理，得到不同粒度的氧化鎢，將此原料在相同工藝下制備成鎢粉和WC粉末，各個樣品的粒度和分布典型值見表2，氧化鎢的激光粒度分布見圖1、SEM形貌見圖4，可以看出，球磨后氧化鎢的粒度大幅度下降，隨著球磨時間延長粒度下降而均勻性變差，其中細(xì)顆粒含量增加，分布變寬，但比表面積卻增加很少，這主要是因氧化鎢以多晶顆粒為主，顆粒內(nèi)部存在較多的界面或縫隙，在氮吸附時可以被氣體滲透而吸附氣體，球磨只是破壞了原有的聚集顆粒，而很少產(chǎn)生晶粒破碎和新的表面，結(jié)合圖4更能清楚看到。圖2和圖5分別是鎢粉的激光粒度和SEM形貌，可以看出樣品還原成鎢粉后，粒度分布也因原料氧化鎢的粒度下降而變得集中，即氧化鎢越細(xì)越分散，制備的鎢粉粒度分布越集中，團(tuán)聚顆粒數(shù)量少，團(tuán)聚程度下降，鎢粉粒度分布典型值D50、D90下降的幅度隨氧化鎢粒度降低也出現(xiàn)減少，即細(xì)的氧化鎢制備的鎢粉粒度分布與原料更接近。圖3和圖6分別是WC粉的激光粒度和SEM形貌,結(jié)合表2可以看出制備成WC后，平均粒度比鎢粉有小幅度下降，而粒度分布更加集中，WC粒度分布典型值D50、D90有更大幅度的下降，說明粉末中的粗大和團(tuán)聚顆粒得到有效的破壞和分散，這與WC經(jīng)過進(jìn)一步破碎分散有關(guān)，但采用較細(xì)的原料4號樣品分布峰值更高，也即粒度更集中，圖6頁顯示該樣品未見團(tuán)聚顆粒。

表2 各樣品的粒度和分布典型值

圖1 不同球磨時間的氧化鎢粒度分布

圖2 氧化鎢制備的鎢粉粒度分布

圖3 不同樣品制備的WC粒度分布

圖4 不同球磨時間的氧化鎢SEM

圖5 氧化鎢樣品制備的鎢粉SEM

圖6 不同樣品制備的WC粉SEM

2.2 鎢粉的攪拌分散

生產(chǎn)硬質(zhì)合金的WC對顆粒均勻性和碳量均勻性都有嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)工藝是鎢粉在碳化前進(jìn)行球磨配炭，但因炭黑的加入會降低球磨對鎢粉顆粒的破碎分散作用，為了提高配炭質(zhì)量和效率，需要采用專門的設(shè)備對細(xì)鎢粉進(jìn)行分散處理。本試驗(yàn)以高速攪拌設(shè)備對鎢粉進(jìn)行處理。表3是攪拌分散前后的鎢粉常規(guī)性能，總體看，BET、FSSS粒度變化很小，而松裝密度增加比較明顯，這主要是因松散的團(tuán)聚顆粒被粉碎，而粗大致密顆粒很難破碎分散，不能產(chǎn)生新的表面的原因。圖7是攪拌前后鎢粉的粒度分布，經(jīng)過攪拌分散后粒度分布更集中，分布中心D50向粒度更細(xì)的一端移動，即粒度下降。圖8鎢粉的SEM照片可以看出攪拌分散前有較多的聚集團(tuán)粒，分散后大幅減少?？傊?xì)顆粒鎢粉的團(tuán)聚顆?？梢酝ㄟ^高速攪拌而破碎，鎢粉變得更分散。

圖7 鎢粉攪拌分散前后的粒度分布：

圖8 鎢粉攪拌分散前后SEM： （a）攪拌前100X；（b）攪拌后100X；（c）攪拌前1000X；（d）攪拌后1000X；

表3 高速攪拌前后鎢粉分析結(jié)果對比

2.3 WC的氣流粉碎分級

鎢粉在高溫下碳化，容易產(chǎn)生燒結(jié)長大，造成多個顆粒的燒結(jié)粘接型團(tuán)聚。隨著碳化溫度的提高，碳化速度加快，WC的化合碳提高，但是WC粒度增大，并形成燒結(jié)團(tuán)聚體，在制備合金時會出現(xiàn)燒結(jié)團(tuán)聚體越多，燒結(jié)晶粒越粗的現(xiàn)象。

對細(xì)WC的破碎分散主要有球磨和氣流粉碎兩種，為了提高分散效果，最佳方案是先球磨再進(jìn)行氣流粉碎分級，本試驗(yàn)采用先球磨再進(jìn)行氣流粉碎分級的方案，表4是WC粉氣流粉碎分級前后的對比，其中B1為球磨后沒有經(jīng)過氣流粉碎分級的樣品，B2是粉碎分級的樣品，從基本性能看，B2與B1比，F(xiàn)SSS粒度下降，亞晶尺寸大幅下降，BET和SKT值提高，B2樣品的激光粒度分布特性值因粒度下降而全面下降，表征均勻性的徑距下降最大，它充分說明氣流粉碎分級可以使團(tuán)聚顆粒分離和較致密的多晶粒被破碎，產(chǎn)生了晶粒細(xì)化，形成了新的表面。圖9顯示B2樣品粒度分布集中，沒有10μm以上的顆粒。圖10 是碳化鎢X衍射圖譜，可以看出兩個樣品均為純WC，而B2樣品因晶粒下降衍射峰高度也下降。圖11的SEM和圖12的EBSD顯示氣流粉碎分級后粉末多數(shù)為均勻的單顆粒而處理前有較多的聚集顆粒且不均勻。將兩個樣品同時在1430℃氫氣燒結(jié)制備的合金試樣金相見圖13，可以看出B2樣品晶粒均勻，而B1樣品有粗大晶粒。

圖13 合金金相： （a）球磨；（b）氣流粉碎分級

表4 氣流粉碎分級前后的WC粉末性能

圖9 WC激光粒度分布：（a）球磨；（b）氣流粉碎分級

圖10 WC粉XRD

圖11 WC粉SEM：（a）球磨；（b）氣流粉碎分級

圖12 WC粉EBSD：（a）球磨；（b）氣流粉碎分級

3 結(jié)論

（1）藍(lán)色氧化鎢經(jīng)過球磨后，多晶團(tuán)聚顆粒得到破碎，粒度下降，氧化鎢粒度分布變寬，以此原料制備的鎢粉和WC團(tuán)聚減少，分布變得集中，粒度分布D50、D90從氧化鎢、鎢粉到碳化鎢呈現(xiàn)逐步下降的趨勢，最終產(chǎn)品的分散性和均勻性最好，對比不同的原料則以較細(xì)的氧化鎢制備的WC分散性和均勻性最好。

（2）采用高速攪拌設(shè)備對鎢粉進(jìn)行處理可以使鎢粉粒度分布更集中，松裝密度增加。

（3）WC經(jīng)過氣流粉碎分級處理后，比表面增大，粒度下降，亞晶尺寸大幅下降，團(tuán)聚顆粒減少，粉末均勻性提高，以此原料制備的合金樣品具有均勻性好，粗大晶粒少的優(yōu)點(diǎn)。

（4）三種粉末分散方式的效果比較：WC氣流粉碎分級不僅能夠分散松散型團(tuán)聚顆粒，也對粉末中的致密型大顆粒有較好的破碎作用，而氧化鎢球磨和鎢粉高速攪拌主要是對松散型團(tuán)聚顆粒的分散。