關于粉末冶金中碳化鎢粉體顆粒細化

崔鈺奇 陳昱龍 單君宇

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關于粉末冶金中碳化鎢粉體顆粒細化

崔鈺奇 陳昱龍 單君宇

（沈陽理工大學裝備工程學院 遼寧沈陽 110000）

碳化鎢是在結構強度上僅僅可以與金剛石相媲美且可大規模工業制造的金屬化合物，其大規模使用于工業，軍事等裝備制造領域。我國碳化鎢粉體制備技術水平處于落后狀態，致使部分原料、制品依賴進口。本文通過對粉末冶金技術制備粉體的方法進行介紹，對其他金屬粉體制備進行展開類比并類比，從而提出對制備碳化鎢粉體工藝的相應改進，已達到對現有科技狀態下的盡可能的提高碳化鎢粉體顆粒的細化，以至于可以應對工業使用標準，盡可能降低國內對進口材料的依賴。

碳化鎢；粉體制備；粉體顆粒細化；非氫氣保護制取

1 粉末冶金科學定義

粉末冶金是由粉末制備、粉末制備、高溫燒結以及熱加工重要過程組成的材料制備和生產的工程技術。粉末冶金關鍵步驟包括粉末制備、成形以及隨后的燒結和熱處理過程。在軍工方面用于制造穿甲彈頭，軍械零件，精密儀器方面用于儀表制造，汽車、機械制造領域也有軸承等傳統工藝比較難以完成的部件制造。

總之粉末冶金在金屬材料的各種制造加工技術中成為重要的制造方法之一,相比較于普通冶金技術方法，粉末冶金技術擁有著能生產普通熔煉無法生產的具有特殊性能的材料；控制材料孔隙度；通過利用金屬和金屬、金屬和非金屬的組合效果，生產具有各種特殊性能的材料；較少零件制造方面的技術切削；減少偏析和其他缺陷的問題等特點。因此粉末冶金技術不僅可以用來制造高質量、高精度的復雜零件，還可以節省原材料、節約勞動成本。

早在18世紀人類就開始有具體系統工程技術制造技術了，19世紀40年代，人們開始使用粉末冶金技術制取一些貴重金屬的工業產品和藝術產品。

2碳粉鎢化過程的基本原理

鎢與碳形成三種碳化鎢：W2C,ɑ-WC和β-WC。β-WC在2525~2785℃溫度范圍存在，低于2450℃，鎢—碳只存在兩種碳化鎢：W2C,ɑ-WC。在H2中于1500~1850℃鎢棒在炭黑中碳化時有兩層，外層是W2C層，內層為粗WC層。鎢粉在碳化主要通過與含碳氣相發生反應，總反應式是CO2+C=2CO和W+2CO=WC+CO2也可使鎢粉直接與炭黑相接觸，碳原子也可以向鎢粉中擴散。在有氫氣的環境中氫氣只起到碳的載體的作用并不會隨著反應的繼續而減少，會持續在生產設備中存在著，起到碳的載體的作用（由于不是本文的研究方向，在這里就不詳細的闡述有氫氣保護時的反應方程式）。鎢粉用炭黑碳化的過程的機理是吸附原理。而碳化鎢粉成分和顆粒度受炭黑的配量、碳化溫度、碳化時間、碳化氣氛、等影響。反應裝置中或者粉體轉運過程中任何的環境變化都會影響最終制得碳化鎢的化學成分、晶相結構等一系列問題，從而影響最終工業產品的結構性能以及其結構強度。

碳化鎢制備工藝流程圖

3粉體制備的原理與技術

3.1概述

粉體制備是粉末冶金的第一個重要環節。隨著粉末冶金材料和制品的不斷增加、質量的提高，要求提供的粉末種類也越來越多。總的來說可以分成物理化學方法和機械方法，物理化學方法中囊括了還原，還原—化合，氣相還原，化學氣相沉積，氣相冷凝或離解，液相沉淀，從輔助溶液中析出，電解共八個大方向的方法，其中每種大方向的方法原理中還包括了1~3種不同的細化的具體方法（在文中就不加以冗述了）。而機械法中包括了機械粉碎和霧化兩種方法，每種方法還細化成了2~4種具體操作，接下來將對機械粉碎和霧化兩種方式進行一個比較詳細的介紹。

3.2機械粉碎

機械粉碎是通過對物料通過壓碎、撞擊、擊碎以及磨削等作用，將粗金屬顆粒或合金機械的粉碎成粉末的過程。這種方法是制取脆性材料粉末的經典方法。目前我國的碳化鎢的粉體制備使用的是此種方法。這種機械的制取粉體的方法受物料的性質影響。一般的情況下，此種方法是制取脆性材料，對塑性材料的分體的制取就存在著一定的問題。

3.3霧化制粉

霧化制粉是直接擊碎金屬液體或者合金的制造分體的方法，霧化法包括：①二流霧化法，包括分氣體霧化和水霧化；②離心霧化法，包括旋轉水流霧化、旋轉電極霧化和旋轉坩堝霧化等；③其他霧化法，例如真空霧化、油霧化等。而霧化法的原理是通過氣流或者水流將金屬溶液或者合金將從噴嘴處配射出的液體擊碎，分離成無數的液滴，然后通過自由落體，在爐內經過保溫、退火，金屬液滴通過形核、長大形成無數個金屬顆粒。霧化粉末的性能受霧化介質、金屬液流等其他工藝的影響。

霧化介質一般使用惰性氣體，如氮氣，氬氣減少金液體氣化和氣體溶解或者是液體主要是水。并且不同的介質對霧化粉末的化學成分、顆粒形狀、結構都有著很大的影響。金屬液流受金屬表面張力、粘稠度（張力越大形成的球形的越多，但粉體的顆粒度越大，反之則越少，越小）過熱溫度（過熱溫度越高，細粉末出率越高越形成球形粉末反之則相反）。

4機械粉碎與霧化制粉的對比

由于機械粉過程中是物料與磨料之間通過物理方式的直接摩擦，以及在球磨機等研磨機中下落的擊碎效應而進行的粉碎。可是碳化鎢的硬度是僅次于金剛石的物質，在傳統機械粉碎中物料會對磨料和研磨機械內表面造成一定程度的損傷，從而在制得的粉體中引入大量的雜質，過篩的過程中這些雜質的消除可能不徹底，從而對下一步工序造成不必要的結構問題，即使過篩非常完美但是這期間碳化鎢所處的環境可能引起晶相的變化，從而影響結構強度。若保持整個工序的環境相同這無疑是增加成本，不利于大規模機械生產。

霧化制粉擁有引入新的雜質可能性小，容易工藝集成，冶煉環境容易控制的特點。可以將制取碳化鎢的工藝環節與鎢粉制備工藝相結合將其整合在一個生產裝備中，采取無氫氣保護的冶煉的方式，直接使用CO對鎢酸鈉液體進行霧化，同時控制該生產裝備的爐內溫度，使鎢酸鈉液滴形成固態金屬鎢顆粒之時直接與CO接觸形成所需要的碳化鎢粉體，這樣可極大地增加金屬鎢于CO氣體的接觸面積，使之更好地、更加充分的進行化學反應。由于鎢酸鈉液體中可能含有氧氣其他金屬化合物液體等其他有氧化性雜質。若使用氫氣保護可能與這些雜質發生化學反應，產生水、其他金屬等其他雜質。進而影響碳化鎢粉體的純度。因此選擇無氫氣保護的方式直接使用一氧化碳進行液體的霧化。這樣可以節省對原有的廠房的大規模改建，僅僅需要對現有的制備鎢粉的設備進行一個改進即可，也免去了炭黑與氫氣的反應環節，減小新雜質引進的可能性。從而不僅減少了改裝成本又同時將碳化鎢粉體顆粒進一步細小話的同時也提高了鎢粉的純度，方便企業的大規模制造生產以及降低后續加工成本提高產品強度。

5結語

由于在粉末冶金工藝中，分體制備排在最前端，如果粉體的顆粒度不能達到一定值，在后續的加工過程中就需要投入大量的成本去提高成品的致密度從而提高成本，有些制品由于工藝的影響可能無法進行處理提高結構強度使一些可能成為事物的零件化為泡影。因此在擁有強大的工業制造能力的同時應擁有堅實的原材料制備技術，進而對軍用、民用產品進行性能長的提高以及成本上的降低。

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