高压坯强度钨粉工艺研究

付 胜，易 军，戴湘平

（广东翔鹭钨业股份有限公司，广东 潮州 515633）

0 前言

近几年来，随着我国经济的高速发展，钨制品的应用得到快速增长，对难成形的大口径薄壁管和大尺寸薄钨板的需求量逐年增多，对产品质量的要求也越来越高。钨制品的物理、力学性能与压坯强度密切相关，而压坯强度又与钨粉形貌和粒度分布等材料特征关联。因此制备出具有成形性好、压坯强度高的钨粉，是制备高性能钨或高钨含量合金制品的基础［1-4］。

研究通过对钨粉制备的原料及其主要工艺进行优化，从而改善原始钨粉的粒度分布与形貌，以提高钨粉成形性和压坯强度。

1 实验

1.1 原料及性能

所用的原料均为工业级产品，其中BTO（化学式：WO2.9）、PTO（化学式：WO2.72）、YTO（化学式：WO3）由APT（仲钨酸铵）生产，其成分及杂质元素含量如表1及表2所示。

表1 APT的WO3含量及物理性能

表2 APT中杂质元素的含量 ×10-6

1.2 实验设备

1.2.1 生产实验设备

生产钨粉设备：十五管还原炉（LH-15-1050-5-03，功率：450kW，株洲百泰集团公司）；

筛料设备：超声波旋振筛（BY600-IZ，转速：1 450转/min，功率：0.5kW，上海霸元公司）；

混料设备：双锥混料器（HZH1000L，功率：11kW，频率45Hz，苏州市苏丰机械制造有限公司）。

1.2.1 检测设备

激光粒度分析：马尔文2000激光粒度分析仪（频率50Hz，马尔文仪器发展有限公司）；

粉末微观电镜照片分析：扫描电镜（KYKY2800B，北京中科科仪技术发展有限责任公司）；

粉末粒度分析：费氏亚筛粒度仪（Sub-sieve sizermodel 95，频率：60Hz，赛默飞世尔科技）；

粉末松比分析：斯科特容量计（中国钢铁研究总院）。

1.3 实验原理及实验方法

1.3.1 实验原理化学反应方程式

钨有四种氧化物，氢还原过程分四个阶段进行：

综合反应式：WO3+3H2—→W+3H2O

1.3.2 实验方法

分别采用常规粉末制备方法和高压坯强度粉末制备方法制备两种粉末，对粉末的粒度、表面形貌等进行测试和观测，然后将两种粉末分别压制成型，测试其强度，最后将压坯烧结，测试其物理性能。

常规粉末制备方法：用YTO作为原料于还原炉中进行还原，其中料层厚度控制在8～14mm之间，升温速度为50℃/h，氢气露点为-65～-70℃；五带还原温度分布在750～900℃范围内，在高温带中停留时间为150～160min；将还原好的粉末过孔径0.212mm丝径0.112mm与孔径0.100mm丝径0.060mm的筛网两遍，最终得到常规粉末，密封保存。

高压坯强度粉末制备方法：以BTO、PTO、YTO按2∶5∶10的配比在双锥混料器中混合2.0h后，将此三种氧化钨的混合物作为原料，将原料平铺置于舟皿中，于还原炉中进行还原。其中料层厚度控制在10～12mm之间，升温速度为50℃/h，氢气露点为-70～-75℃；五带还原温度分布在700～950℃范围内，在高温带中停留时间为170～180min；将还原好的粉末过孔径0.212mm丝径0.112mm与孔径0.075mm丝径0.056mm的筛网两遍，最终得到高压坯强度粉末，密封保存。

通过以上两种工艺对比可见，高压坯强度粉除原料的差异外，还具有温度梯度分布范围更宽、在高温带停留时间更久、对料层厚度要求更精确、对氢气露点要求更高及过二遍筛目数更细的特点。

2 实验结果和讨论

2.1 粉末粒度分布

从高压坯强度粉末激光粒度图谱（图1）可以看出，并没有呈现出完美的正态分布曲线，在粗（粒度8μm）、细（粒度1μm）两端区间分布均增加了一定的比例，粒度分布较宽，径距达到1.964，波峰值较低，只接近于9；而常规粉末激光粒度图谱（图2）则呈现出完美的正态分布曲线，粒度分布较窄，径距值仅为1.518，波峰值高达10.6，粉末粒度分布非常集中，在粗、细两端区间分布均明显降低。

图1 高压坯强度粉末激光粒度图谱

图2 常规粉末激光粒度图谱

由图1可见，粗细粉颗粒均占据一定的比例，这样使得粉末颗粒整体分布粒度区间更广，细、粗粉末颗粒占比的增加，使得粉末颗粒之间的能够更加充分的啮合，有利于压坯强度的提高；而由图2中可见，常规粉末粒度分布均匀，大部分粉末颗粒分布在中颗粒区间，由于粉末颗粒大小都非常接近，在压制过程中不利于有效的填充孔隙，粉末颗粒之间不能够充分的机械啮合，故导致粉末压坯强度不高。

2.2 粉末的表面形貌

图3 高压坯强度粉末SEM图

通过高压坯强度粉SEM图（图3）与常规粉末SEM图（图4）分别在500、1 000、5 000倍的SEM图对比可以看出，在500、1 000等低倍电镜下观察，图3（a、b）分别呈现出粉末颗粒团聚体较多，而图4（a、b）则无明显的团聚现象，粉末颗粒粒度分布比较均匀；在5 000高倍电镜下观察，高压坯强度粉中存在大量的细微粉团聚现象，如图3（c）中实线框所示，且伴随有大颗粒之间的黏结，即二次颗粒，如图3（c）中虚线框所示，而常规粉末中仅有少量大颗粒黏结现象存在，如图4（c）中虚线框所示。

图4 常规粉末SEM图

通过进一步对比图3与图4，可以分析得出，高压坯强度粉末颗粒团聚体较多，粉末细、粗颗粒占比较多，颗粒形状复杂，表面粗糙，这样在压制过程中，颗粒之间由于位移和变形可以互相楔住和勾连，粉末颗粒之间的机械啮合更加充分，粉末颗粒之间的联结力增加，从而有利于使压坯具有较高强度，而常规粉末颗粒粒度分布比较均匀，表面规则圆滑，在压制过程中，不利于粉末颗粒之间的机械啮合，从而不利于提高压坯强度［5］。

2.3 粉末的压坯强度

高压坯强度W粉与常规W粉各项指标结果对比如表3所示：

表3 两种W粉各项指标

通过上表的对比可以看出两种W粉在费氏（Fsss）粒度相近的情况下，高压坯强度粉的孔隙度（Poro）明显偏高，可以推测，高压坯强度W粉的细粉含量更多，同时高压坯强度W粉的松比（Scott）明显高于常规W粉，流动性更好，说明高压坯强度W粉的粗粉含量更多。这些差异也验证了在激光粒度图谱（图1、图2）对比中，高压坯强度粉末粗、细粉占比区间明显大于常规粉末。在最后一项物理性能测试中，两种粉末压坯强度呈现出很大的差异，高压坯强度W粉的压坯强度高于常规W粉的压坯强度数倍之多。

表3各的数据也进一步验证了在费氏粒度相近的条件下，W粉的形貌对于粉末压坯强度起到决定性的作用。

3 结论

（1）常规工艺生产的粉末由于粒度分布较窄，粉末颗粒的粒度均匀，因此在压制过程中颗粒的间隙不易被填充，最终导致压坯强度较低；

而工艺改良后，高压坯强度工艺生产的粉末粒度分布更宽，在压制成形时，在外加载荷作用下，含有较多细颗粒的粉末更易自我调节，通过移动、滑动和转动，颗粒之间的间隙容易被填充，使压坯中大孔隙度减少［6］；同时，由于粉末颗粒形状较复杂，表面较粗糙，颗粒之间有部分的桥接，形成松散的聚集结构，这使得粉末在压制中颗粒之间相互啮合，从而提高了压坯强度，有利于高性能钨产品的制备。

（2）采用YTO、BTO、PTO混合物直接氢还原制备高压坯强度钨粉，不需要煅烧和其他中间工艺的处理，直接混料还原，过程简洁，能耗低。该工艺适合于规模化生产。

［1］杜明章，谢 湛，付代轩，等.钨粉形貌对石油射孔弹穿深性能的影响［J］.测井技术，2008，32（5）：483-486.

［2］沈春英，丘 泰，宋 涛，等.高性能阴极基体用超细钨粉的制备［J］.稀有金属，2007，31（5）：637-640.

［3］熊湘君，刘盈霞.钨粉粒度对电极用钨铜合金组织和性能的影响［J］.粉末冶金材料科学与工程，2007，12（2）：101-105.

［4］陈 伟，周武平，邝用庚，等.钨渗铜材料室温力学性能与组织研究［J］.中国钨业，2005，20（1）：36-38.

［5］张 立，王元杰，余贤旺，等.干混合对硬质合金组织结构的影响［J］.硬质合金，2007，24（1）：24-27.

［6］林高安.钨粉形貌与粒度分布对成形性和压坯强度的影响［J］.粉末冶金材料科学与工程，2009，14（4）：260-264.