高纯钨粉末还原工艺研究

2020-12-30刘山宇张宇晴李曹兵王芦燕

中国金属通报 2020年9期

刘山宇，张宇晴，李曹兵，王芦燕，陈钊

（北矿新材科技有限公司，北京 102206）

钨粉属于难容金属粉末，粉末的粒度、粒度分布、流动性、松装密度、氧含量等对后续压制、烧结、压力加工具有极其重要的影响，其中粉末的颗粒形状、颗粒大小及组成和粉末颗粒的表面状态等，这些性质决定了粉末加工能否正常进行，粒度太细不利于后续的压制成型，也容易在储存过程中吸潮和氧化，降低粉末的活性，从而不利于烧结，而且特细粉（粒度1.2μm以下）在高温下烧结，当烧结坯体相对密度接近90%时，晶粒会突然长大，从而得到加工性能极差的粗晶坯；粉末颗粒的松装密度是粉末的以上的各种性能的综合表征，粉末松装密度的大小会影响金属粉末压制成型及轧制；氧含量的高低直接决定了粉末烧结密度的高低，氧含量高烧结密度偏低，不利于加工。

本实验采用纯度为99.97%的APT作为还原钨粉的前驱粉末将粉末进行还原。还原过程主要分为两个步骤，即：一次还原和二次还原，在一次还原过程中主要完成钨酸盐的分解，生成氧化钨。在二次还原过程中完成纯钨粉的还原工作。

1 试验

1.1 一次还原温度

钨粉的还原过程分为一次还原和二次还原，因此首先需要确定比较合理的一次还原工序的还原温度，固定一次还原过程的其他工序参数，通过改变一还原温度研究还原温度与还原粉末粒度的关系，然后对一次还原粉末进行二次还原，探讨最终钨粉末粒度同一次还原温度的关系。钨粉还原过程中的具体工艺参数为：

一次还原过程：氢气流量0.5m3/h，装舟量430g/舟，推速30分/舟。

表1 一次还原温度对一次还原产物粉末粒度及钨粉粒度的影响

试验结果如表1所示，从试验结果中可以看到一次还原产物粉末粒度随还原温度的升高而降低。调整一次还原温度可以控制一次还原产物粉末的粒度，一般规律是粉末粒度随着一次还原温度的提高而减小。由粉末压制的技术要求粒度2.2左右，因此一次还原温度为650℃。

1.2 二次还原温度

一次还原得到的产物一般为钨的氧化物，其经过二次还原即可以使氧化钨粉还原彻底，而得到纯钨粉。二次还原炉一般设五个温区，炉管两端为低温区，中间为高温区。各温区的温度及温度梯度对粉末粒度的影响较为敏感。为研究二次还原温度对还原粉末粒度的影响关系，固定该工序的其他参数如表2，进行条件试验，

表2 试验过程中的具体参数

温度及温度梯度对钨粉粒度的影响如表3所示，可以看到适当提高高温区温度，同时降低低温区温度以提高温度梯度，钨粉末粒度得以增粗，有利于钨粉的储存和活性的保持，同时有利于改善钨粉的压烧性能。

然而钨粉的粒度不是越粗越好，钨粉粒度越粗，中频烧结时要求的烧结温度，而烧结温度越高将导致钨的组织均匀性越差，最终影响钨坯的加工性能。

表3 温度及温度梯度对钨粉粒度的影响

1.3 粉末的粒度分布

通过上述钨粉末的三种工艺进行粒度分布测试，测试结果如图1所示。

图1 工艺1粒度分布图

图2 工艺2粒度分布图

图3 工艺3粒度分布图

由图可知钨粉的3号工艺粉末的粒度更符合正态分布，并且是单峰，而工艺1粒度分布窄、工艺2粒度分布宽，并且均有一个小的峰值，说明存在较大的钨粉颗粒，这些大的钨粉颗粒在烧结时需要高的烧结温度，最终的烧结态组织不均匀，出现密度偏低，孔隙率增大的现象，导致加工时断裂，因此工艺1、工艺2的大颗粒钨粉对烧结及加工是极为不利的。

1.4 钨粉形貌分析

图4钨还原粉末在扫描电子显微镜下的形貌。还原粉末颗粒形状均比较规则，绝大部分为六面体，颗粒尺度范围较大，从图中可以看出，钨粉粒径在2m～3m范围内，采用费氏粒度仪得到钨粉的费氏粒度为2.60m。钨还原粉末粒度分布的变化势必会影响后续压型、烧结和加工工序，一般来讲粗粉细粉适当比例的混合，会在后续压型、烧结工序中，适宜得到密度较大的烧结坯，有利于提高钨坯密度，改善加工性能。