钨粉制备工艺对压坯强度影响的研究

2010-12-31谢中华张秋和王文华陈树茂

中国钨业 2010年6期

谢中华，张秋和，王文华，陈树茂

（赣州华茂钨材料有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

钨合金和钨制品是发展现代科技不可缺少的原材料之一，其中硬质合金以其高熔点高硬度著称，被誉为“工业的牙齿”，广泛应用于航空航天、原子能、船舶、汽车工业、电气工业、化学工业等诸多领域，具有极高的科技含量和附加值［1］。我国钨冶炼技术水平处于世界中上水平，因此提高钨合金和钨制品等高端产品的性能和技术含量就显得尤其重要。

高压坯强度钨粉纯度高、结合强度大、成型性好、质量稳定，其压坯强度高达2.8MPa，用以烧结成的制品密度大、耐高温性能好等特点，大大提高了钨制品的各项理化性能和成品率。广泛用于航空、航天领域制作火焰喷射器、火箭飞行舵等大制品领域。随着钨行业水平的整体提升，将有比较大的市场需求。

目前国内已有相关的文献报道由APT直接还原制取钨粉，改善成形性，如采用偏钨酸铵（AMT）和仲钨酸铵（APT）为原料，按照一定比例混合后直接氢还原，或者将偏钨酸铵和仲钨酸铵直接一步氢还原后按照一定比例混合来制备高压坯强度钨粉的方法，该方法所生产的钨粉可以在不需要添加任何成型剂的情况下直接成型为强度高的压坯，压坯的横向断裂强度可达4.0MPa。采用该方法制备的钨粉可广泛应用于大制品钨以及钨合金的制备［2］。但未见提高粉末压坯强度的报道。笔者采用仲钨酸铵一步还原法，系统的研究了还原过程中还原温度、氢气流量、料层厚度、还原时间等参数对钨粉压坯强度的影响，并分析了各参数对压坯强度的影响机制。

1 试验方法

1.1 试验原理

该项目采用仲钨酸铵一步还原法，即将合格的原料仲钨酸铵，通过四管还原炉，在氢气气氛下直接进行还原，最终得到高压坯强度钨粉。

1.2 原辅材料

试验原料为目前国内外普遍使用的离子交换法制取的仲钨酸铵，其费氏粒度为35～44μm，化学成分含量达到新版国标GB/T 10116-2007一级品要求。试验所用原料APT电镜分析照片如图1所示。

图1 原料APT的电镜分析照片

试验辅助材料为氢气，采用电解水生产氢气，电解产生的氢气通过氢气纯化成套设备净化，最终得到含水量露点为-30～-60℃的高纯度氢气。

1.3 主要设备

主要设备为四管还原炉（最高加热温度1 050℃）；费氏粒度仪；扫描电镜等。

1.4 检测方法

试验样品检测主要在公司化验室及北京安泰科技股份有限公司进行，粒度检测采用费氏粒度仪，钨粉外观形貌检测采用扫描电镜，杂质元素检测采用发射光谱仪。最主要的技术指标是粉末的压坯强度，压坯强度按照《金属粉末生坯强度的测定矩形压坯横向断裂法》标准简介（GB/T5160-2002）提供的标准，检测其抗弯强度。

1.5 还原工艺

按照一步还原的原理，分别在温度840℃、890℃、940℃；还原时间90min、100min、120min；料层厚度5mm、7mm、10mm；氢气流量26m3/h、32m3/h、36m3/h的工艺条件下进行还原工艺研究。

2 试验结果及分析讨论

2.1 还原温度对钨粉压坯强度的影响

还原时，固定氢气流量：26m3/h；氢气露点：-40～-50℃；料层厚度：6～7mm；还原时间：90min。改变还原温度，选3组温度参数，分别为840℃、890℃、940℃。3种不同温度下还原的粉末粒度及压制性能见表1，840℃还原的粉末形貌见图2。

表1 不同温度下还原的粉末粒度及压制性能

图2 840℃还原的钨粉形貌

APT在890℃进行一步氢还原压坯强度最高，达到1.72MPa。从图2电镜形貌看，890℃时还原所得粉末集中度较高，有粗细粉搭配，且细粉相对较多。有文献指出，不同原料生产的钨粉粒度组成不同，使其成型性产生了差异。一般情况下，钨粉的粒度分布集中度较高，且细粉较多，没有过于明显的粗大颗粒，其成型性较好［3］。在试验中粉末的压坯强度随着还原温度的升高开始逐步提高，随着温度再升高，压坯强度不但不升高，反而下降。这是因为，温度升高，钨粉还原速度加快，粒度分布更集中，粗细粉比例较低温条件下更为不均匀；粗细粉搭配使压坯强度增高，但随着温度继续上升，还原粉末的粒度会变粗，而且，过高的还原温度，容易使钨粉聚集成团粒［4］，不利于压制成型，与试验结果890℃时还原所得粉末压坯强度最高相符。

2.2 氢气流量对钨粉压坯强度的影响。

还原时，固定还原温度：940℃；氢气露点：-40～-50℃；粉层厚度：6～7mm；还原时间：90min。改变氢气流量，选3组氢气流量：26m3/h、32m3/h、36m3/h。3种不同氢气流量下还原的粉末粒度及压制性能见表2。

表2 不同氢气流量下还原的粉末粒度及压制性能

随着氢气流量的增加，粉末的粒度变细，这是因为增大炉管内的氢气流量，降低了氧化钨和反应生成的水蒸气结合生成挥发性水合物WO2（OH）2的分压，但是压坯的强度没有多大的提高。说明单一的改变氢气流量对粉末的平均粒度影响并不显著，对粉末的压坯强度影响也不显著，但可以控制粉末的粒度在一定范围内。

2.3 料层厚度对钨粉压坯强度的影响

还原时，固定还原温度：890℃；氢气露点：-40～-50℃；氢气流量：26m3/h；还原时间：90min。改变料层厚度，选3组不同的料层厚度：5mm、7mm、10mm。3种不同料层厚度的粉末粒度及压制性能见表3。

随着料层厚度的增加，压坯强度有所上升，说明料层厚度增加，粉末还原的气氛差异加大，表层粉末与底层粉末在还原过程中的条件差异很大，促进了粉末的粒度差异加大，表层粉末粒度更细，底层粉末粒度更粗，出现粒度粗细不均匀，而且可以使粉末的粒度分布更宽，甚至出现双峰或多峰［4］，但正是这样的不均匀分布，可以有效提高粉末的压坯强度。在生产过程中，只要合理的调剂各工艺参数，避免钨粉沉积长大、促使颗粒发育不完全而形成不规则的形貌及松散的聚集或桥接结构，从而有利于压制成型［5-7］。