高性能煤化工漿料輸出用硬質合金噴嘴的制備試驗

王娟梅，仝曉楠，高 源

(陜西省機械研究院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

眾所周知，硬質合金以高硬度、高強度以及良好的耐熱性、耐磨性等一系列優良性能被廣泛應用[1-4]。通常，噴嘴也常以硬質合金為原料，在實際中生產中YG8硬質合金較為常用，搭配鋼制模具，并采用冷壓結合真空燒結的方法來制備，這便造成了諸多問題存在：一是鋼制模具費用高，熱處理比較困難；二是壓制需要的設備噸位大，模具操作復雜；三是高溫燒結變形量，不容易控制收縮和變形；四是后續機械加工困難，消耗大量的工時費用；五是生產過程燒結廢品率高等[5]。

同時，合金噴嘴也被當做煤化工行業漿料輸出時的執行元件。但由于煤化工漿料具有強酸、強堿、鐵礦石、石灰石等磨損性強、腐蝕性高的成分，為保證漿料輸出時具有一定的輸出壓力和較長的使用壽命，所以要求噴嘴具備高耐磨性、高防腐性、高強度、高硬度等優良特性。因而，對合金噴嘴的性能改進研究成為硬質合金行業和煤化工領域技術人員的關注重點。

筆者采用高純石墨模具[6]，并添加鍍鎳短枝碳纖維來改善硬質合金噴嘴的性能[7-12]。同時，采用真空熱壓工藝，達到了一次成型的效果，制備出的合金噴嘴耐磨性、防腐性、硬度等均有較大的提升，而且實際應用之后，該合金噴嘴也具有良好的使用壽命。

1 材料配方設計及工藝方案

1.1 產品形狀尺寸

合金噴嘴產品的形狀和尺寸嚴格按照圖紙來加工，如圖1所示。

圖1 產品尺寸及形狀圖[5]

1.2 模具及配方設計

(1) 產品配方如表1所列。

表1 產品配方表 /%

說明：①碳化鎢(WC)粉末：采用10級WC粉末，粒度在5～7 μm之間，含氧量<0.08%，含碳量為6.08%～6.18%；②鈷(Co)粉：采用電解鈷粉，粒度在3～5 μm之間，純度≥98%，其顆粒形狀為樹枝狀；③鍍鎳短枝碳纖維：采用纖維直徑為5～8 μm，長度在80～100 μm之間的短枝碳纖維，鍍層厚度約為0.5 μm；④潤濕劑：液體石蠟[13]。

(2) 模具

采用高純石墨模具，其石墨含碳量>99%，粒度在20～100 nm之間。

1.3 工藝方案

模具設計及加工-原料選擇-混料-真空熱壓成型-機械加工-檢測檢驗-包裝

說明：①混料：采用螺旋推進器式混料機；②真空熱壓：采用250 T四柱真空熱壓機，每平方厘米的單位壓力為50 GPa，真空度保持在-0.020 GPa，燒結溫度為1 380 ℃，保溫時間為30 min；③檢測檢驗：包括密度測試，表面硬度，抗拉強度，耐磨性，耐腐蝕性，使用壽命；④包裝：防摔、防腐、防撞處理。

2 結果分析及討論

2.1 產品測試說明及結果

(1) 密度測試：取產品上任意塊，采用型號為奧豪斯AR3202CN測試產品密度。

(2) 硬度：采用型號時代TIME300洛氏硬度計對產品的硬度進行測試。

(3) 抗拉性能：采用型號為CRS-UTM200MA的拉伸強度試驗機對制備的合金噴嘴進行抗拉性能檢測。

(4) 耐磨性能：采用布魯克UMT TriboLabUMT TriboLab機械性能與摩擦測試儀對制備的合金噴嘴進行耐磨性能檢測，試驗時間為48 h，計算其單位磨損量。

(5) 防腐性能：采用鹽水噴試驗對制備的合金噴嘴進行防腐性能檢測，采用濃度為5%的中性鹽水連續噴霧120 h。

(6) 使用壽命：將制備出的合金噴嘴應用在該行業某企業的煤化工漿料輸出口，測試其使用壽命。

通過對制備的合金噴嘴進行性能檢測，結果如表2所列。

與使用鋼模模具、未添加碳纖維、未添加鍍鎳碳纖維的產品相比較，我們制備的硬質合金噴嘴具有更優異的綜合性能：①產品的密度≥14.5 g/cm3；②產品的表觀硬度大≥HRC62；③產品的抗拉強度>2200 MPa；④產品的磨損量小于0.002 g/cm2；⑤耐腐蝕性能良好；⑥使用壽命長達8個月以上。

表2 產品的性能檢測

2.2 結果分析

對比發現，本文的區別在于采用了高純石墨模具代替鋼制模具，添加了鍍鎳短枝碳纖維，并采用真空熱壓一次成型工藝。分析其原因有以下個方面：

(1) 采用高純石墨模具所制備的合金噴嘴可以提高產品的綜合性能，原因在于：①高純石墨可以保證模具的純凈度，以防雜質與原材料發生反應；②石墨熱壓壓模應用于硬質合金加壓燒結方面時：a.當壓制溫度提高到1350～1450 ℃時，則所需的單位壓力僅為冷壓的10%；b.當加壓和加熱同時進行時，則會縮短燒結時間；③粒度細小的高純石墨模具可以在硬質合金表面達到滲碳效果，提高硬質合金表面的硬度，以提高其耐磨性。

(2) 鍍鎳短枝碳纖維的添加可以有效提高合金噴嘴的防腐性和耐磨性，原因在于：①碳纖維的添加可以提高硬質合金的強度和耐磨性；②碳纖維具有耐腐蝕性，添加碳纖維有利于增強硬質合金的防腐性能；③碳纖維可以提升硬質合金的抗拉強度，且短纖維的提升效果更為明顯；④鍍鎳有2方面作用：a.為了保證碳纖維和基體材料的潤濕性；b.鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力，更有利于提高合金噴嘴的防腐性能。

(3) 采用真空熱壓成型工藝，可直接壓制粉體，實現了一次成型工藝技術，改善了產品的壓制燒結致密化，解決了合金噴嘴的成型和燒結變形問題，而且能夠改善規格多、模具投入多的困境。

3 結 語

通過采用高純石墨模具、添加鍍鎳短枝碳纖維、采用真空熱壓成型工藝制備出了煤化工漿料輸出用硬質合金噴嘴，大大提高了硬質合金噴嘴的耐磨性、防腐性等綜合性能，同時使得合金噴嘴具有較長的使用壽命。本文為鍍鎳碳纖維的應用擴展了新的應用領域，對煤化工行業噴嘴的應用開拓了新的思路。