技術分享｜超高溫霧化制備球形鑄造碳化鎢粉末形貌控制及性能研究

　　　傳統的熱噴涂用碳化鎢粉末通常采用鑄造方法生產，粉末呈多角狀，流動性差且硬度低，難以滿足高性能硬面材料的要求。以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用自行設計的超高溫熔煉及超高溫霧化裝備制備出球形碳化鎢粉末，利用掃描電鏡、X 射線衍射儀、金相顯微鏡、顯微硬度計分析測試了粉末的相、組織、成分及性能。結果表明：碳化鎢粉末外觀呈球狀、內部為細針狀共晶組織、顯微硬度3 200 HV、霍爾流速6.5 s/50 g、具有流動性好、耐磨性佳等優良的綜合性能。

關鍵詞：碳化鎢；超高溫霧化；球形粉末；形貌控制；組織

碳化鎢粉末作為一種重要的表面材料，正在宇航、電子信息、電力、能源、石油、化工、冶金、機械等工業中發揮著越來越重要的作用[1-2]。它是由碳化鎢與碳化二鎢組成的共晶體，其共晶體的共晶點的含碳量質量分數約為4.5 ％，共晶溫度為2 525 ℃。傳統的碳化鎢生產方法是將一定碳量的碳化鎢粉、鎢粉和生產過程中的返回料混合均勻后盛裝于石墨舟皿中，放入溫度高達3 000 ℃左右的可傾式碳管爐內進行熔煉，傳統方法生產的碳化鎢粉末顆粒大多呈片狀、長條狀或多角狀，晶體中針狀共晶組織含量少。這種粉末在堆焊涂敷時，常在工件表面形成齒弧，在壓力作用下容易產生表面裂紋。球形碳化鎢粉末與普通多角狀碳化鎢粉末相比化學成分更穩定，硬度高，顯微組織為細等軸樹枝狀，無過共晶和亞共晶，使用時不存在應力集中和微裂紋，沒有尖銳邊角，具有比破碎粉末更高的韌性和耐磨性。同時，球形碳化鎢粉末結構均勻致密，利于堆焊和熱噴涂，使得涂敷材料具有很高的抗磨損性和韌性，獲得優良的使用性能[3-4]。

對于球形碳化鎢粉體制備，國內外研究者進行了較多研究，主要采用水冷坩堝法制備或等離子體法或電弧熔煉法制備[5-8]。如美國專利US4723996 提供了一種生產球形碳化鎢粉末的方法和設備。該方法產量小、工藝流程較長、成本高、不易實現產業化，特別是粉體質量難以控制。北京礦冶研究總院候玉柏等人以Ar為工作氣體，H2為送粉氣體，用高頻感應等離子體炬制備球化鎢粉。球化后的鎢粉在流動速度和松裝密度方面有了非常大的提高。由于受到等離子體束流大小的限制，生產效率低、成本高、產品質量難控制、不能實現大批生產。

本研究在對難熔金屬粉體的制備進行了大量的前期研究上成功研發了超高溫霧化裝備，所研制的超高溫熔煉惰性氣體霧化裝備可使熔體達到3 000℃以上高溫，并在該狀態下實現連續霧化[9]。以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用超高溫霧化，制備出形貌較好的球形碳化鎢粉末，研究了超高溫霧化工藝參數對制備球形碳化鎢的影響規律，對球形碳化鎢粉末性能及制備機理進行了分析。

試驗在湖南久泰科技有限公司自主研發的超高溫霧化設備上進行。設備如圖1 所示，主要由九大系統組成，包括給料系統、加熱熔煉系統、熔體輸送及霧化系統、粉末收集系統、分級處理系統、惰性氣體保護系統、自動控制系統、供電系統及氣體回收系統等[10]。該設備將超高溫熔煉和氣體霧化合為一體，解決了超高熔點物質的氣體霧化技術難題。操作時先將爐管加熱3 000 ℃左右，然后通過給料造粒機連續均勻向爐內供料，在霧化噴嘴的噴射作用下，一次霧化成粉率≥95 %、一次霧化成球率≥90 %的鑄造WC 粉末。由于采用全密封式加熱與霧化，燒損率非常小，而緊湊簡單的生產工藝事實上使球形鑄造WC 加工成本相對低廉。同時，能夠實現球形鑄造碳化鎢連續產業化作業，生產效率高。

試驗以一定粒度的鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前驅體或多角狀碳化鎢為原料，按照一定的碳量要求進行配料混合，然后通過制團，按一定的速度加入高溫熔煉氣體霧化爐內，經過近3 000℃的高溫熔化后，熔液進入高溫霧化區，在高純氬氣體的高壓（0.8～1.5 MPa）強力沖擊作用下，形成細小的液滴，液滴進入冷卻區，依靠其表面張力快速冷卻成球形鑄造碳化鎢粉。

球形鑄造碳化鎢粉體制備完成后，在XJP-100金相顯微鏡、LEO1450 掃描電子顯微鏡和M21X 型X 射線衍射儀上觀察分析其顯微組織和物相組成，采用霍爾流量計對粉體流動性進行測量。

2.1 粉末形貌

由于研究所用的超高溫熔煉霧化裝置是整個系統在一密閉的空間內實現熔煉與霧化過程的連續化，試驗過程不間斷地進行。原料通過給料裝置連續加入反應器中，原料在反應器內下降的過程中吸收足夠的熱量后熔化。原料熔化成液體后，通過束流孔進入霧化器內霧化。原料在反應器內停留的時間為1 s 左右，在如此短暫的時間內，原料要完成吸熱、發生反應以及WC 和W2C熔化形成共晶體等過程，見式（1）。

W+WC→W2C（1）  

式（1）屬于固-固反應，W 顆粒從WC 中奪取一定的C 后，在W 表面層開始發生反應，這種過程不斷進行并緩慢滲透到W 顆粒內部，反應完成后生成W2C。W 粉的粒度及活性直接影響到整個反應過程的進行，如果W 顆粒沒有完成W2C的轉變，由于W的熔點高達3 410 ℃，在霧化溫度下則無法熔融，結果會以W 晶粒的形式存在于熔液中或獨立存在并保留到霧化產品中。同樣地，WC 顆粒度及晶粒度也影響反應式（1）的進行及物料的熔化，影響產品中WC 和W2C共晶體的形成。

因此，在霧化過程中，粉體粒度分布及霧化溫度等工藝參數的選擇非常關鍵。試驗結果表明，為了使鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前驅體顆粒能全部熔化，并完成組元間的反應，前驅體顆粒度應控制在適當范圍（80～200 μm）。由于鑄造碳化鎢粉末的熔化溫度為2 525 ℃，霧化成球則需要更高的溫度。因此把霧化溫度控制在其熔點（2 525 ℃）以上的適當溫度。研究設計了2 600 ℃、2 700 ℃、2 800 ℃、2 900 ℃、3 000 ℃5 種溫度方案制備球形碳化鎢粉末。圖2 是不同霧化溫度得到的碳化鎢粉末形貌，由圖2 可以看出，粉末球化應滿足一定的溫度條件，2 600 ℃時難以球化；2 700 ℃時，粉末的球化率（已球化的顆粒數占總顆粒數的百分比）只有60 %，顆粒形貌也不規則，表面粗糙不平；2 800 ℃以上溫度才能使粉末全部球化。在2 700 ℃至3 000 ℃條件下，隨霧化溫度增加，粉末球化率提高，顆粒表面光潔，形貌趨好。

霧化溫度對碳化鎢粉末球化率和流動性的影響結果如表1。由表1 看出，2 700 ℃霧化時，粉末的球化率低；2 800 ℃時，球化率達90 ％，2 900 ℃時，粒球化率為100 ％。在2 700 ℃至3 000 ℃條件下，隨霧化溫度提高，粉末球化率提高，流動性更好。

不同溫度霧化得到的碳化鎢粉末粒度組成如表2所示。由表2 看出，在2 700 ℃～3 000 ℃條件下，隨霧化溫度提高，細粉末量增多，粗粉末量相應減少。小于45 μm 的細粉末分別為0％、0.2％、1.3％、3.4％；

大于175 μm 的粗粉末分別為18.4 ％，9.4 ％，3.5 ％，0.6 ％，這說明溫度增高時，碳化鎢熔體的過熱度增大，黏度減小，破碎熔體液滴所需要的能量小，在相同的條件下霧化時，得到的細粉末量較多。

     
2.2 微觀組織、相結構及性能

圖3 是球形碳化鎢粉末宏觀形貌及微觀組織的電鏡照片，可以看出：粉末為球形，表面光滑，粉末的微觀組織細小，為典型的羽片狀共晶組織結構，表明在整個熔煉和反應過程中，前驅體已吸收足夠的熱量后完成了W 到W2C、WC 的反應，在隨后的冷卻過程中形成了WC、W2C共晶體。

圖4 為超高溫霧化制備球形碳化鎢粉末的X-ray 衍射物相分析結果。由圖可以看出，只存在WC 和W2C兩相組織，在高溫及前軀體顆粒度適當的情況下，前軀體顆粒吸收了足夠的熱量而全部熔化并發生反應，形成WC 和W2C共晶體。

球形鑄造碳化鎢粉末的化學成分及物理機械性能見表3、表4。

2.3 霧化機理分析

在霧化過程中，金屬液滴形成后，在表面張力作用下，由不規則狀逐漸趨于球形。在較高的過熱溫度下，液滴在凝固前有足夠長的時間進行球化，所以粉末最終呈球狀或類球狀；而在較低的過熱溫度時，金屬液滴經一次破碎后就已經凝固，或者在二次破碎的過程中凝固，粉末的粒度較粗，液滴也因球化時間遠小于其凝固時間而成啞鈴或其他形狀。在霧化過程中，熔體的物理性質—密度、表面張力和黏度影響著熔體的流動特性和霧化特性。Tate[11]等人研究了液體的物理性質對霧化特性的影響。理論上，通過噴嘴的質量流率隨液體密度的變化而變化。實際上，如果沒有液體其他物理性質或外部環境的影響，液體的密度很難改變。由于液體的可壓縮性極小，密度變化不大，所以在多數情況下，液體密度對霧化過程的影響很小。

霧化使連續的液體碎裂成細小的液滴，液滴的穩定性取決于液體的表面張力，它阻止液滴表面的變形，表面張力主要控制粉末的形貌，黏度則對粉末粒度產生重要影響。霧化所需的最小能量就等于表面張力乘以液體表面積的增加量。對于一定的熔體，在適當的條件下，其表面張力和黏度受過熱度的影響，隨著過熱度的增大而減小。

針對過熱度對熔體球化的影響，采用球化指數描述球化程度（如圖5 所示）。所謂球化指數就是將粉末在正方向投影，以投影的x 和y 方向長度之比定義為球化指數，見式2。碳化鎢熔體過熱度（T=霧化溫度-2 525 ℃）對粉體球化指數S 的影響見圖6。

其擬合曲線為：S=1+3/4（T-300）2×10^-4。

S=a/b （a＞b） （2）

當S=1 時，粉體為理想球形；S＞1 時，粉體為不

規則形狀。要使粉末球化，必須滿足一定的溫度條件即過熱度條件。從2 700 ℃到2 850 ℃，隨著溫度增加，熔體的表面張力和黏度減小，粉末球化率提高。顆粒在較高的過熱度條件下能夠自動收縮成球形。

3 結論

（1）以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用高溫熔煉、惰性氣體超高溫霧化，可制得流動性好、耐磨性佳、綜合性能優良的球形碳化鎢粉末。

（2）當2 800～3 000 ℃霧化時，隨霧化溫度提高，得到的細粉末增多、粉末的球形度和球化率均提高。

（3）所制得的球形碳化鎢粉末外觀呈球狀，具有良好的流動性，內部為細針狀共晶組織，為WC、W2C純共晶結構，顯微硬度3 200HV，霍爾流速6.5 s/50 g。

（4） 考慮熔體過熱度T 對粉末球化的影響，采用球化指數S 描述粉末球化的程度，建立了碳化鎢粉末球化指數S 與熔體過熱度T 的關系式。