碳化工艺对中细WC粉性能的影响

钟毓斌，肖　晗，孙　娟，朱　坤

（南昌硬质合金有限责任公司，江西 南昌 330013）

碳化工艺对中细WC粉性能的影响

钟毓斌，肖晗，孙娟，朱坤

（南昌硬质合金有限责任公司，江西 南昌 330013）

中细WC粉末在高档可转位刀片、球齿、耐磨零件中广泛应用。随着粉末制备进一步产业升级，对中细WC粉末的质量提出了更高的要求。研究以1.8～2.0μm的钨粉为原料，采用3种不同的碳化设备，在不同工艺条件下，制备出3种中细碳化钨粉末。通过采用粒度分布、扫描电镜图、合金金相组织图进行比较分析，确定适合耐磨零件的中细WC粉末的最优碳化工艺：使用碳化设备B，十四管炉制备FSSS粒度1.8～2.0μm的钨粉，碳化温度为1 400～1 500℃。

中细碳化钨；碳化工艺；粒度分布；扫描电镜；金相组织

硬质合金具有高强度、高硬度、高耐磨性、耐腐蚀性［1］，在工业生产中具有广泛应用。钨系粉末作为硬质合金［2］最主要原料，主要分为超细纳米型粉末［3］、中细粉末、普通粉末、特粗粉末［4］、超粗粉末。目前研究者多注重研究超细［5］纳米型［6］粉末的制备方法，合金偏聚夹粗［7］的成因机理与特粗以上粉末生产制备方法及性能［8］等，对中细粉末类研究相对较少。近年来，随着粉末制备进一步产业升级，对中细WC粉末的质量提出了更高的要求，傅小明等［9］研究了用活性氧化钨制取中细W粉和WC粉，从一定程度上提高了W粉、WC粉的质量，但在大规模工业化生产中较难应用。本研究在工业生产中应用3种不同的碳化设备、采取不同的碳化工艺温度，生产出3种WC粉末，对所得中细WC粉在粒度分布［10］控制方面、晶粒形貌、合金晶粒夹粗方面进行研究，并进行相关机理分析。

1　试验

1.1原料及制备

研究以单根炉管直径140mm的十四管还原炉，温度在700～900℃还原黄色氧化钨，制备得1.8～2.0μm钨粉。以1.8～2.0μm的钨粉为原料，采用三种不同设备的碳化工艺：（1）碳化设备A工艺，首先采用滚动球磨机将钨粉、碳粉，按同一定比例混合球磨配碳，然后采用碳化设备A在1 500～1 600℃的温度条件下进行碳化，将得到的产品进行球磨破碎，最后得到碳化钨粉末产品，称为样品1；（2）碳化设备B工艺，首先采用配碳器将钨粉、碳粉混合配碳，然后采用碳化设备B在1 400～1 500℃的温度条件下进行碳化，将得到的产品进行气流破碎，最后得到碳化钨粉末产品，称为样品2；（3）碳化设备C工艺，首先采用滚动球磨机将钨粉、碳粉，按一定比例混合球磨配碳，然后采用碳化设备C在1 500～1 600℃的温度条件下进行碳化，将得到的产品进行球磨破碎，最后得到碳化钨粉末产品，称为样品3。

1.2粉末产品及表征

采用丹东粒度仪器厂生产的WLP-208平均粒度仪，对WC粉末进行粒度测试；使用美国PE公司生产的Quanta100扫描电镜，对WC粉末进行扫描电镜分析（SEM）；使用Mastersizer 2000粒度仪，对WC粉末进行粒度分布检测；根据小球磨试验，验证合金烧结后的金相组织。

2　分析与讨论

2.1物理性能

采用3种不同设备的碳化工艺制备的碳化钨粉末的物理性能指标如表1所示。

表1　WC粉末样品的物理性能Tab.1　PhysicalpropertiesofWC powder sam ple

从表1可以得出，同种钨粉采用不同碳化设备生产工艺生产的中细碳化钨粉末，粒度（WC粉末FSSS粒度范围为2.0～2.5μm）、WC总碳含量等物理性能指标基本相当。

2.2粒度分布分析

使用马尔文粒度分布仪对WC粉末进行粒度分布检测，对比结果如图1所示。

图1　WC粉末的粒度分布Fig.1　Grain size distribution ofWC powder sam ple

采用3种不同设备的碳化工艺制备的碳化钨粉末的粒度分布如图1所示。从图1可以看出，碳化设备A生产的碳化钨粉末，粒度分布峰偏矮、分布宽度偏宽，这应与碳化设备A的粉末生产温度均匀性不稳有关；碳化设备B生产的碳化钨粉末，粒度分布峰高且尖，这与粉末温度均匀性优、最终产品又经过气流破碎工艺有关；而碳化设备C生产的碳化钨粒度分布居中，这与碳化设备C碳化时间长、工艺温度高有关。

图1中WC粒度分布D50位置显示，碳化设备A生产的WC的D50＞碳化设备C生产的WC的D50＞碳化设备B生产的WC的D50，这与FSSS粒度结果排序趋势一致。

2.3显微组织

通过美国PE公司生产的Quanta100扫描电镜，对应检测WC粉末，放大10 000倍的扫描电镜图片进行比较如图2所示。

采用3种不同设备的碳化工艺制备的碳化钨粉末的扫描电镜图如图2所示。从图2可以看出，样品1的均匀性差：有大量3～5μm菜花状团聚体，少量5μm以上的菜花状团聚体；极少量3～5μm融合体，极少量5μm以上的融合体，大量1～3μm的融合体。样品2的均匀性好：有大量3～5μm菜花状团聚体，无5μm以上的菜花状团聚体，少量3～5μm融合体，无5μm以上的融合体，大量1～3μm的融合体。样品3的均匀性一般：少量3～5μm菜花状团聚体，无5μm以上的菜花状团聚体，有大量3～5μm融合体，极少量5μm以上的融合体，大量1～3μm的融合体。

图2　3种不同碳化钨粉的SEM照片Fig.2　SEM imagesof three typesofWC powder samples

从颗粒的融合程度分析，可以得到碳化设备C工艺优于碳化设备A工艺；碳化设备A工艺优于碳化设备B工艺。碳化设备C工艺制备WC的碳化效果最好，可能由于碳化设备C设备高温带最长、保温时间长、温度高。从粉末的均匀性分析，碳化设备B工艺优于碳化设备C工艺，碳化设备C优于碳化设备A工艺。碳化设备B工艺制备的WC粉末的均匀性最好，这可能与碳化设备B控温精度高，WC破碎后续处理采用气流破碎有关。

2.4合金金相组织

使用合金小球磨工艺：WC质量比94%，Co质量比6%，橡胶添加量为每公斤料添加58 g，酒精添加量为每公斤料0.3 L左右；使用直径10mm合金球，球料比为4∶1，小球磨时间为15 h左右，通氢气烧结，烧结温度为1 400℃。使用该工艺对产品进行合金小球磨测试，然后使用奥林巴斯金相显微镜拍照得金相组织图（见图3）。

采用3种不同设备的碳化工艺制备的碳化钨粉末的合金金相组织图如图3所示。从图3可以看出，样品1合金有许多0～2μm晶粒，许多3～5μm晶粒，6个6～7μm晶粒，4个8～10μm晶粒，3个10μm以上晶粒，均匀性非常差，夹粗严重；样品2合金有许多0～2μm晶粒，5个以下3～5μm晶粒，均匀性好；样品3合金有许多0～2μm晶粒，许多3～5μm晶粒，2个6～7μm晶粒，2个8～10μm晶粒，2个10μm以上晶粒，均匀性差，有夹粗。

可见，合金金相晶粒均匀性排序为：碳化设备B工艺优于碳化设备C工艺，碳化设备C工艺优于碳化设备A工艺。由合金金相图比较，适用于耐磨零件使用的WC粉末的生产设备为碳化设备B。碳化设备A工艺产品均匀性最差，可能与该设备控温精度一般、产量大有关。

图3　3种不同碳化钨粉的合金金相照片Fig.3　M icrostructurephotographsof three typesofWC powder sam ples

3　结论

（1）从3种不同设备碳化工艺生产WC粉末的粒度分布及扫描电镜性能方面比较，可以得出3种碳化设备工艺碳化效果排序：碳化设备C工艺优于碳化设备A工艺；碳化设备A工艺优于碳化设备B工艺。

（2）从3种不同WC粉的合金金相组织分析，碳化设备B工艺碳化生产的碳化钨粉末制备出的合金的均匀性优于碳化设备C工艺；碳化设备C工艺生产的碳化钨粉末制备的合金的均匀性优于碳化设备A工艺。

（3）适合耐磨零件的WC粉末产品碳化工艺为：十四管炉制备FSSS粒度1.8～2.0μm的钨粉，使用碳化设备B，碳化温度为1 400～1 500℃。

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Effectof Carbonization Processon the PropertiesofM iddleand FineGrainWCPowder

ZHONGYubin，XIAOHan，SUN Juan，ZHUKun

（NanchangCemented Carbide Limited Liability Company，Nanchang 330013，Jiangxi，China）

Themiddle and fine grainWC powder iswidely used in advancedmovable blades，sophisticated spherical shape bitsand wear-resistantparts.The industrialupgrading requiresa higher quality ofmiddle and fine grainWC powder.By using different carbonization processes，threemiddle and fine grain WC powderswere prepared out of tungsten powder with particle size of 1.8～2.0μm.The analysis of the size distribution，scanning electron microscope andmetallographic structure led to the optimal carbonization process，using the carbonization equipment B，the Fsss grain size 1.8～2.0μm tungsten powder is prepared by fourteen tube furnace，and the carbonization temperature is1 400～1 500.

middleand finegrainWCpowder；carbonization process；size distribution；scanningelectronmicroscope；metallographic structure

TF125.2+41

A

10.3969/j.issn.1009－0622.2016.04.011

2015-12-18

钟毓斌（1980-），男，江西都昌人，工程师，主要从事钨及钨系产品的生产研究工作。