热处理对喷雾干燥钼粉的影响

张 晓，付静波，庄 飞

(金堆城钼业股份有限公司技术中心，陕西 西安 710077)

0 前言

难熔金属钼具有高的熔点、沸点，极高的强度、硬度，良好的耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性，导电导热性和低的热膨胀系数［1］。直接采用金属钼制造零部件价格昂贵，而在工程材料表面上制备钼系涂层，既满足了性能要求，又降低了成本。自20 世纪70年代，钼涂层在汽车制造业和航空航天中得到广泛的应用，如汽车齿轮、活塞环、离合器、同步环，火箭与喷气式发动机的喷嘴等耐磨零部件［2-5］。热喷涂技术是一种近几十年来迅速发展的表面强化新技术，由于具有生产效率高、制备的涂层质量好、喷涂的材料范围广、成本低等优势得到广泛应用［6-7］。然而，常规钼粉末由于粒装密度低、几乎不具有流动性不能直接用以热喷涂，因此，制备热喷涂用钼粉成为首先需要解决的问题。

本实验以喷雾干燥钼粉为原料，研究热处理温度对喷雾干燥法制备钼粉末的组织形貌、松装密度和流动性的影响。

1 实 验

采用喷雾干燥法制备钼粉末，粉末在马弗炉内进行热处理，热处理温度在900～1 500 ℃之间，保温时间为3 h，气氛为氢气。对喷雾干燥钼粉和经不同温度热处理后的喷雾干燥钼粉，先后经过120 目和325 目的筛子过筛，取45～125 μm 的粉末进行检测分析。根据国家标准GB/T 1479-2011、GB/T 1482-1984，采用漏斗法和霍尔流速计测量粉末的松装密度及流动性，取3 次测量结果平均值，通过扫描电镜观察组织形貌。

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对粉末性能的影响

喷雾干燥钼粉热处理前后的松装密度及流动性随热处理温度的变化规律如图1、2 所示。热处理前钼粉的松装密度及流动性分别为1.62 g/cm3、38.97 s/50 g。随热处理温度升高，松装密度和流动性先微弱降低，松装密度在900 ℃低至1.57 g/cm3，流动性在1 050 ℃低至44.23 s/50 g;而后随热处理温度升高，松装密度和流动逐渐提高，1 500 ℃时分别为2.74 g/cm3和25.29 s/50 g。这是由于热处理之前粉末含有机物粘结剂，表面较为光滑，较易流动，粉末颗粒球形度好，粉末流动性好。随着热处理温度的升高，有机粘结剂分解、排除，颗粒表面变得粗糙，粉末流动性变差，同时由于此时热处理温度较低，内部小颗粒仅形成微弱粘结，颗粒整体并未收缩，本身的密度变化不大，而流动性的降低使得粉末难以紧密堆积，从而影响松装密度变小。随着温度的持续升高，颗粒收缩、体积变小，整体密度变大，且在原子的扩散作用下，粗糙的表面开始趋于平整(如图4所示)，故之后随着热处理温度提高，粉末的松装密度和流动性提高。

图1 热处理温度与钼粉末松装密度的关系

2.2 热处理温度对粉末微观组织结构的影响

图2 热处理温度与钼粉末流动性的关系

喷雾干燥钼粉形貌如图3 所示。图3(a)为热处理前的粉末颗粒，喷雾干燥后钼粉颗粒粒径在45～125 μm，绝大部分呈圆球形，出现少数苹果状颗粒。非球形颗粒主要是由于雾滴的非均匀受热和雾滴中小颗粒的迁移而造成。图3(b)表明，喷雾干燥颗粒是原始钼粉末的团聚体，原料钼粉形貌没有改变。

喷雾干燥钼粉经900～1 500 ℃热处理后的形貌如图4 所示。在较低的热处理温度900 ℃，由图4(a～b)可见，与热处理前的粉末颗粒形貌(图3)相比，喷雾干燥颗粒没有发生明显改变，由于去除了粘结剂，喷雾干燥颗粒表面部分发生塌陷，较热处理前粗糙，内部小颗粒少数出现部分连结。经1 200℃热处理过的喷雾干燥颗粒大多数仍为球形，颗粒表面收缩，出现一定程度的内陷，内部小颗粒间形成烧结颈，其间存在明显的贯穿性的孔隙，见图4(c～d)。经1 500 ℃热处理过的喷雾干燥颗粒表面趋于平整，颗粒收缩明显，出现粘结。内部小颗粒间烧结颈明显长大，贯通性孔隙的截面积明显减少，其中内部小颗粒相互堆垛形成的孔隙基本消失，而干燥过程中留下的较大的孔洞逐渐减小，颗粒表面趋于致密化，见图4(e～f)。

图3 喷雾干燥钼粉形貌

从图4 可看出，通过对喷雾于燥钼粉进行热处理，喷雾干燥钼粉内部小颗粒之间产生一定强度的连接，结合方式发生了变化，即喷雾干燥颗粒之间不产生烧结，但喷雾干燥颗粒内部小颗粒发生烧结，晶粒长大，结合紧密，不容易分散破碎，而颗粒尺寸在40～115 μm 范围内，基本保持原来的近球形外观形貌，适合用来进行热喷涂。

热处理过程中，喷雾于燥钼粉首先发生水份蒸发;随着温度升高，粘结剂发生分解和排除;当温度到达1 200 ℃，小颗粒之间形成烧结颈，发生以空位迁移为主的扩散，且扩散逐渐加剧;随着温度进一步提高，小颗粒发生了伴随着扩散的蠕变，即扩散蠕变。扩散蠕变由空位定向迁移和原子相应的反向自由表面进行。研究表明［8-12］，烧结过程是自由能的不断降低的过程。由于喷雾于燥钼粉内部小颗粒为原始的物理堆积，在对其进行热处理的过程中小颗粒之间的表面能构成较大的烧结驱动力使烧结颈快速形成并长大，具体表现为颗粒收缩、密度增加。

图4 不同热处理温度下的喷雾干燥钼粉形貌

3 结论

(1)随着热处理温度升高，喷雾干燥钼粉的松装密度和流动性先微弱降低后逐渐提高，1 500 ℃时分别为2.74 g/cm3和25.29 s/50 g。

(2)热处理后的喷雾干燥钼粉粒径变小，颗粒近球形，当热处理温度为1 500 ℃时，颗粒间有微弱连结，内部小颗粒长大。

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