熱處理對噴霧干燥鉬粉的影響

張 曉，付靜波，莊 飛

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710077)

0 前言

難熔金屬鉬具有高的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)，極高的強(qiáng)度、硬度，良好的耐磨性、耐腐蝕性、耐高溫性，導(dǎo)電導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)［1］。直接采用金屬鉬制造零部件價(jià)格昂貴，而在工程材料表面上制備鉬系涂層，既滿足了性能要求，又降低了成本。自20 世紀(jì)70年代，鉬涂層在汽車制造業(yè)和航空航天中得到廣泛的應(yīng)用，如汽車齒輪、活塞環(huán)、離合器、同步環(huán)，火箭與噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴等耐磨零部件［2-5］。熱噴涂技術(shù)是一種近幾十年來迅速發(fā)展的表面強(qiáng)化新技術(shù)，由于具有生產(chǎn)效率高、制備的涂層質(zhì)量好、噴涂的材料范圍廣、成本低等優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用［6-7］。然而，常規(guī)鉬粉末由于粒裝密度低、幾乎不具有流動(dòng)性不能直接用以熱噴涂，因此，制備熱噴涂用鉬粉成為首先需要解決的問題。

本實(shí)驗(yàn)以噴霧干燥鉬粉為原料，研究熱處理溫度對噴霧干燥法制備鉬粉末的組織形貌、松裝密度和流動(dòng)性的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

采用噴霧干燥法制備鉬粉末，粉末在馬弗爐內(nèi)進(jìn)行熱處理，熱處理溫度在900～1 500 ℃之間，保溫時(shí)間為3 h，氣氛為氫氣。對噴霧干燥鉬粉和經(jīng)不同溫度熱處理后的噴霧干燥鉬粉，先后經(jīng)過120 目和325 目的篩子過篩，取45～125 μm 的粉末進(jìn)行檢測分析。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1479-2011、GB/T 1482-1984，采用漏斗法和霍爾流速計(jì)測量粉末的松裝密度及流動(dòng)性，取3 次測量結(jié)果平均值，通過掃描電鏡觀察組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理溫度對粉末性能的影響

噴霧干燥鉬粉熱處理前后的松裝密度及流動(dòng)性隨熱處理溫度的變化規(guī)律如圖1、2 所示。熱處理前鉬粉的松裝密度及流動(dòng)性分別為1.62 g/cm3、38.97 s/50 g。隨熱處理溫度升高，松裝密度和流動(dòng)性先微弱降低，松裝密度在900 ℃低至1.57 g/cm3，流動(dòng)性在1 050 ℃低至44.23 s/50 g;而后隨熱處理溫度升高，松裝密度和流動(dòng)逐漸提高，1 500 ℃時(shí)分別為2.74 g/cm3和25.29 s/50 g。這是由于熱處理之前粉末含有機(jī)物粘結(jié)劑，表面較為光滑，較易流動(dòng)，粉末顆粒球形度好，粉末流動(dòng)性好。隨著熱處理溫度的升高，有機(jī)粘結(jié)劑分解、排除，顆粒表面變得粗糙，粉末流動(dòng)性變差，同時(shí)由于此時(shí)熱處理溫度較低，內(nèi)部小顆粒僅形成微弱粘結(jié)，顆粒整體并未收縮，本身的密度變化不大，而流動(dòng)性的降低使得粉末難以緊密堆積，從而影響松裝密度變小。隨著溫度的持續(xù)升高，顆粒收縮、體積變小，整體密度變大，且在原子的擴(kuò)散作用下，粗糙的表面開始趨于平整(如圖4所示)，故之后隨著熱處理溫度提高，粉末的松裝密度和流動(dòng)性提高。

圖1 熱處理溫度與鉬粉末松裝密度的關(guān)系

2.2 熱處理溫度對粉末微觀組織結(jié)構(gòu)的影響

圖2 熱處理溫度與鉬粉末流動(dòng)性的關(guān)系

噴霧干燥鉬粉形貌如圖3 所示。圖3(a)為熱處理前的粉末顆粒，噴霧干燥后鉬粉顆粒粒徑在45～125 μm，絕大部分呈圓球形，出現(xiàn)少數(shù)蘋果狀顆粒。非球形顆粒主要是由于霧滴的非均勻受熱和霧滴中小顆粒的遷移而造成。圖3(b)表明，噴霧干燥顆粒是原始鉬粉末的團(tuán)聚體，原料鉬粉形貌沒有改變。

噴霧干燥鉬粉經(jīng)900～1 500 ℃熱處理后的形貌如圖4 所示。在較低的熱處理溫度900 ℃，由圖4(a～b)可見，與熱處理前的粉末顆粒形貌(圖3)相比，噴霧干燥顆粒沒有發(fā)生明顯改變，由于去除了粘結(jié)劑，噴霧干燥顆粒表面部分發(fā)生塌陷，較熱處理前粗糙，內(nèi)部小顆粒少數(shù)出現(xiàn)部分連結(jié)。經(jīng)1 200℃熱處理過的噴霧干燥顆粒大多數(shù)仍為球形，顆粒表面收縮，出現(xiàn)一定程度的內(nèi)陷，內(nèi)部小顆粒間形成燒結(jié)頸，其間存在明顯的貫穿性的孔隙，見圖4(c～d)。經(jīng)1 500 ℃熱處理過的噴霧干燥顆粒表面趨于平整，顆粒收縮明顯，出現(xiàn)粘結(jié)。內(nèi)部小顆粒間燒結(jié)頸明顯長大，貫通性孔隙的截面積明顯減少，其中內(nèi)部小顆粒相互堆垛形成的孔隙基本消失，而干燥過程中留下的較大的孔洞逐漸減小，顆粒表面趨于致密化，見圖4(e～f)。

圖3 噴霧干燥鉬粉形貌

從圖4 可看出，通過對噴霧于燥鉬粉進(jìn)行熱處理，噴霧干燥鉬粉內(nèi)部小顆粒之間產(chǎn)生一定強(qiáng)度的連接，結(jié)合方式發(fā)生了變化，即噴霧干燥顆粒之間不產(chǎn)生燒結(jié)，但噴霧干燥顆粒內(nèi)部小顆粒發(fā)生燒結(jié)，晶粒長大，結(jié)合緊密，不容易分散破碎，而顆粒尺寸在40～115 μm 范圍內(nèi)，基本保持原來的近球形外觀形貌，適合用來進(jìn)行熱噴涂。

熱處理過程中，噴霧于燥鉬粉首先發(fā)生水份蒸發(fā);隨著溫度升高，粘結(jié)劑發(fā)生分解和排除;當(dāng)溫度到達(dá)1 200 ℃，小顆粒之間形成燒結(jié)頸，發(fā)生以空位遷移為主的擴(kuò)散，且擴(kuò)散逐漸加劇;隨著溫度進(jìn)一步提高，小顆粒發(fā)生了伴隨著擴(kuò)散的蠕變，即擴(kuò)散蠕變。擴(kuò)散蠕變由空位定向遷移和原子相應(yīng)的反向自由表面進(jìn)行。研究表明［8-12］，燒結(jié)過程是自由能的不斷降低的過程。由于噴霧于燥鉬粉內(nèi)部小顆粒為原始的物理堆積，在對其進(jìn)行熱處理的過程中小顆粒之間的表面能構(gòu)成較大的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力使燒結(jié)頸快速形成并長大，具體表現(xiàn)為顆粒收縮、密度增加。

圖4 不同熱處理溫度下的噴霧干燥鉬粉形貌

3 結(jié)論

(1)隨著熱處理溫度升高，噴霧干燥鉬粉的松裝密度和流動(dòng)性先微弱降低后逐漸提高，1 500 ℃時(shí)分別為2.74 g/cm3和25.29 s/50 g。

(2)熱處理后的噴霧干燥鉬粉粒徑變小，顆粒近球形，當(dāng)熱處理溫度為1 500 ℃時(shí)，顆粒間有微弱連結(jié)，內(nèi)部小顆粒長大。

［1］張文鉦.世界鉬業(yè)20 年［J］.中國鉬業(yè)，1997，21(2):15-21.

［2］嚴(yán)淑群.鉬系涂層的制備工藝研究［J］.湖南冶金，2001，(2):16-19，30.

［3］曾歸余，閔小兵，吳和元.鉬系粉末等離子涂層及其在汽車工業(yè)上的應(yīng)用研究［J］.湖南冶金，2002，(1):8-11，14.

［4］嚴(yán)堪榮，董允杰.鉬噴涂［J］.中國鉬業(yè)，1999，23(6):10-12.

［5］Hironopi N，Toshiyuki N，Rika H.Electro deposition ofrefractory metals in medium-temperature molten salts［J］.Proceedings-Electochemical Society PV，2004，(24):945-954.

［6］戴達(dá)煌，周克崧，袁鎮(zhèn)海.現(xiàn)代材料表面技術(shù)科學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004.

［7］吳 濤，朱 流，酈 劍，等.熱噴涂技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.國外金屬熱處理，2005，26 (4):3-6.

［8］鐘培全.鉬及鉬合金的應(yīng)用及其加工方法［J］.中國鉬業(yè)，2000，24(5):15-16.

［9］黃伯云.粉末冶金原理［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1982.

［10］王盤鑫.粉末冶金學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2005.

［11］崔國文.缺陷擴(kuò)散與燒結(jié)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1990.

［12］Pranav Garg，Seong-jin Park.Effect of compaction press on densification behavior of molybdenum powder［J］.International Journal of Refractory ＆Hard Material，2007，25:16-24.