关于粉末冶金中碳化钨粉体颗粒细化

崔钰奇 陈昱龙 单君宇



关于粉末冶金中碳化钨粉体颗粒细化

崔钰奇 陈昱龙 单君宇

（沈阳理工大学装备工程学院 辽宁沈阳 110000）

碳化钨是在结构强度上仅仅可以与金刚石相媲美且可大规模工业制造的金属化合物，其大规模使用于工业，军事等装备制造领域。我国碳化钨粉体制备技术水平处于落后状态，致使部分原料、制品依赖进口。本文通过对粉末冶金技术制备粉体的方法进行介绍，对其他金属粉体制备进行展开类比并类比，从而提出对制备碳化钨粉体工艺的相应改进，已达到对现有科技状态下的尽可能的提高碳化钨粉体颗粒的细化，以至于可以应对工业使用标准，尽可能降低国内对进口材料的依赖。

碳化钨；粉体制备；粉体颗粒细化；非氢气保护制取

1 粉末冶金科学定义

粉末冶金是由粉末制备、粉末制备、高温烧结以及热加工重要过程组成的材料制备和生产的工程技术。粉末冶金关键步骤包括粉末制备、成形以及随后的烧结和热处理过程。在军工方面用于制造穿甲弹头，军械零件，精密仪器方面用于仪表制造，汽车、机械制造领域也有轴承等传统工艺比较难以完成的部件制造。

总之粉末冶金在金属材料的各种制造加工技术中成为重要的制造方法之一,相比较于普通冶金技术方法，粉末冶金技术拥有着能生产普通熔炼无法生产的具有特殊性能的材料；控制材料孔隙度；通过利用金属和金属、金属和非金属的组合效果，生产具有各种特殊性能的材料；较少零件制造方面的技术切削；减少偏析和其他缺陷的问题等特点。因此粉末冶金技术不仅可以用来制造高质量、高精度的复杂零件，还可以节省原材料、节约劳动成本。

早在18世纪人类就开始有具体系统工程技术制造技术了，19世纪40年代，人们开始使用粉末冶金技术制取一些贵重金属的工业产品和艺术产品。

2碳粉钨化过程的基本原理

钨与碳形成三种碳化钨：W2C,ɑ-WC和β-WC。β-WC在2525~2785℃温度范围存在，低于2450℃，钨—碳只存在两种碳化钨：W2C,ɑ-WC。在H2中于1500~1850℃钨棒在炭黑中碳化时有两层，外层是W2C层，内层为粗WC层。钨粉在碳化主要通过与含碳气相发生反应，总反应式是CO2+C=2CO和W+2CO=WC+CO2也可使钨粉直接与炭黑相接触，碳原子也可以向钨粉中扩散。在有氢气的环境中氢气只起到碳的载体的作用并不会随着反应的继续而减少，会持续在生产设备中存在着，起到碳的载体的作用（由于不是本文的研究方向，在这里就不详细的阐述有氢气保护时的反应方程式）。钨粉用炭黑碳化的过程的机理是吸附原理。而碳化钨粉成分和颗粒度受炭黑的配量、碳化温度、碳化时间、碳化气氛、等影响。反应装置中或者粉体转运过程中任何的环境变化都会影响最终制得碳化钨的化学成分、晶相结构等一系列问题，从而影响最终工业产品的结构性能以及其结构强度。

碳化钨制备工艺流程图

3粉体制备的原理与技术

3.1概述

粉体制备是粉末冶金的第一个重要环节。随着粉末冶金材料和制品的不断增加、质量的提高，要求提供的粉末种类也越来越多。总的来说可以分成物理化学方法和机械方法，物理化学方法中囊括了还原，还原—化合，气相还原，化学气相沉积，气相冷凝或离解，液相沉淀，从辅助溶液中析出，电解共八个大方向的方法，其中每种大方向的方法原理中还包括了1~3种不同的细化的具体方法（在文中就不加以冗述了）。而机械法中包括了机械粉碎和雾化两种方法，每种方法还细化成了2~4种具体操作，接下来将对机械粉碎和雾化两种方式进行一个比较详细的介绍。

3.2机械粉碎

机械粉碎是通过对物料通过压碎、撞击、击碎以及磨削等作用，将粗金属颗粒或合金机械的粉碎成粉末的过程。这种方法是制取脆性材料粉末的经典方法。目前我国的碳化钨的粉体制备使用的是此种方法。这种机械的制取粉体的方法受物料的性质影响。一般的情况下，此种方法是制取脆性材料，对塑性材料的分体的制取就存在着一定的问题。

3.3雾化制粉

雾化制粉是直接击碎金属液体或者合金的制造分体的方法，雾化法包括：①二流雾化法，包括分气体雾化和水雾化；②离心雾化法，包括旋转水流雾化、旋转电极雾化和旋转坩埚雾化等；③其他雾化法，例如真空雾化、油雾化等。而雾化法的原理是通过气流或者水流将金属溶液或者合金将从喷嘴处配射出的液体击碎，分离成无数的液滴，然后通过自由落体，在炉内经过保温、退火，金属液滴通过形核、长大形成无数个金属颗粒。雾化粉末的性能受雾化介质、金属液流等其他工艺的影响。

雾化介质一般使用惰性气体，如氮气，氩气减少金液体气化和气体溶解或者是液体主要是水。并且不同的介质对雾化粉末的化学成分、颗粒形状、结构都有着很大的影响。金属液流受金属表面张力、粘稠度（张力越大形成的球形的越多，但粉体的颗粒度越大，反之则越少，越小）过热温度（过热温度越高，细粉末出率越高越形成球形粉末反之则相反）。

4机械粉碎与雾化制粉的对比

由于机械粉过程中是物料与磨料之间通过物理方式的直接摩擦，以及在球磨机等研磨机中下落的击碎效应而进行的粉碎。可是碳化钨的硬度是仅次于金刚石的物质，在传统机械粉碎中物料会对磨料和研磨机械内表面造成一定程度的损伤，从而在制得的粉体中引入大量的杂质，过筛的过程中这些杂质的消除可能不彻底，从而对下一步工序造成不必要的结构问题，即使过筛非常完美但是这期间碳化钨所处的环境可能引起晶相的变化，从而影响结构强度。若保持整个工序的环境相同这无疑是增加成本，不利于大规模机械生产。

雾化制粉拥有引入新的杂质可能性小，容易工艺集成，冶炼环境容易控制的特点。可以将制取碳化钨的工艺环节与钨粉制备工艺相结合将其整合在一个生产装备中，采取无氢气保护的冶炼的方式，直接使用CO对钨酸钠液体进行雾化，同时控制该生产装备的炉内温度，使钨酸钠液滴形成固态金属钨颗粒之时直接与CO接触形成所需要的碳化钨粉体，这样可极大地增加金属钨于CO气体的接触面积，使之更好地、更加充分的进行化学反应。由于钨酸钠液体中可能含有氧气其他金属化合物液体等其他有氧化性杂质。若使用氢气保护可能与这些杂质发生化学反应，产生水、其他金属等其他杂质。进而影响碳化钨粉体的纯度。因此选择无氢气保护的方式直接使用一氧化碳进行液体的雾化。这样可以节省对原有的厂房的大规模改建，仅仅需要对现有的制备钨粉的设备进行一个改进即可，也免去了炭黑与氢气的反应环节，减小新杂质引进的可能性。从而不仅减少了改装成本又同时将碳化钨粉体颗粒进一步细小话的同时也提高了钨粉的纯度，方便企业的大规模制造生产以及降低后续加工成本提高产品强度。

5结语

由于在粉末冶金工艺中，分体制备排在最前端，如果粉体的颗粒度不能达到一定值，在后续的加工过程中就需要投入大量的成本去提高成品的致密度从而提高成本，有些制品由于工艺的影响可能无法进行处理提高结构强度使一些可能成为事物的零件化为泡影。因此在拥有强大的工业制造能力的同时应拥有坚实的原材料制备技术，进而对军用、民用产品进行性能长的提高以及成本上的降低。

[1]阮建明黄培云 [M] 粉末冶金原理北京:冶金工业出版社,1989

[1]刘彦如粉末冶金技术进展 [M] 北京:冶金工业出版社,1990

[3]松山芳治等粉末冶金 [M] 北京:科学出版社,1987

[4]欧阳鸿武陈欣余文焘气雾化制粉技术发展历程及展望 [J] 粉末冶金技术2007,25 (1):53

[5]李凤生特种超细粉体制备技术及应用 [M] 北京国防工业出版社 2002

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