不同制作工艺的球形铸造碳化钨粉末性能差异

时间:2022-09-03 04:45:38 作者:kok彩票app下载 来源:kok平台彩票

  球形铸造碳化钨粉末是一种新型的超耐磨陶瓷颗粒材料,与传统的碳化钨相比,球形铸造碳化钨具有两个显著的优势,一是外观呈规则的球状,粉末流动性好,润湿性好,作为添加颗粒加入后与周边组织结合性好,不易产生应力集中;二是碳化钨颗粒内部组织致密,韧性好,晶粒细小,硬度高,涂层耐磨效果好且不易在载荷作用下发生破碎失效。由于其卓越的性能,球形铸造碳化钨粉末逐渐在采矿机械、石油机械、建筑行业以及铸造厂等部件表面防护中替代传统碳化钨粉末获得应用,能显著提高工件的抗磨损、抗腐蚀和抗氧化性能,延长工件使用寿命。

  目前,市售球形铸造碳化钨粉末主要有以下几种制备方法,分别是感应重熔球化法、等离子重熔球化法和等离子旋转电极雾化法。

  感应重熔球化方法通过感应加热反应器,物料在反应器内被逐级加热到球化温度,并依靠炉管的振动缓慢向前移动,一旦物料的分散未控制好,熔融液滴便因碰撞、黏结长大,粒度控制困难;而且粉末在运行过程中,不得与反应器接触,否则会影响整个球化过程的进行,造成物料的浪费。

  等离子重熔球化方法是以铸造碳化钨粉末为原料,采用射频等离子焰把氩气流加热到3000~10000 ℃的高温,使铸造碳化钨颗粒熔融成液态,直接快速冷凝成球形颗粒;该方 法通过控制原料粒度状态影响球形碳化钨粉末粒度及组成,易获得较细粒度的球形碳化钨粉末。

  而等离子旋转电极雾化法是将碳化钨棒料作为电极,固定在棒料仓内,然后在惰性气体保护下进行等离子雾化。等离子弧将高速旋转的棒料端面熔化,在离心力作用下,熔融的液滴脱离熔池边缘,以球形颗粒的形式飞射凝固。该技术避免了重熔球化在超高温条件下物料分散难的问题,所获得的球形碳化钨粉末粒度分布区间窄且易于控制。

  以下将对不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的化学成分、显微形貌、微观组织、显微硬度以及其他粉体性能进行研究。

  上表为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末样品的化学成分。可以看出,球形铸造碳化钨粉末的主要成分为W元素和C元素,且都含有微量的Fe、V、Cr、Nb元素。理想的球形铸造碳化钨应该是WC和W2C的共晶体,其共晶温度为2525 ℃,共晶点的碳含量为3.840%(质量分数)。由表中数据可知,等离子旋转电极雾化法制备的球形铸造碳化钨的总碳含量与共晶碳含量理论值的偏差最小,游离碳含量最低;感应重熔球化法获得的粉末总碳含量与理论值相差最大,差值为0.170%(质量分数)。这是由于感应重熔球化法采用石墨管加热的方式,易导致碳含量的增加。此外,比较粒度相接近的2#、3#和4#样品可知,等离子旋转电极雾化法制得的粉末杂质含 量相对最低。然而,等离子旋转电极雾化法制得的 1#样品杂质含量相对较高,这可能是与铸造碳化钨原料棒的质量有关。由此可见,与其他方法相比,等离子旋转电极雾化法可以更加准确地控制球形铸造碳化钨粉末的碳含量,防止因渗碳和脱碳造成的过共晶和亚共晶反应,获得接近完全的共晶组织,这对改善球形铸造碳化钨的组织与性能至关重要。

  上图为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的显微形貌。可知,3种方法制备的球形铸造碳化钨粉末均为规则、光滑的近球形。

  上图为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的横截面照片。由(a)和(b)可见,等离子旋转电极雾化法制备的球形碳化钨粉末颗粒内部致密,几乎没有缺陷。而由(c)和(d)可见,等离子重熔球化法和感应重熔球化法制备的球形碳化钨粉末颗粒内部均存在一些明显的孔隙,即出现一些空心粉。其原因主要是因为上述方法采用的破碎碳化钨粉末原料中易存在铸造时残留的气孔,在短时的等离子或感应加热过程中,破碎碳化钨粉末内部难以完全熔化,导致颗粒内部残留一些孔隙。

  上图为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末颗粒腐蚀后的显微组织照片。可以看出,3种方法制备的球形碳化钨粉末颗粒内部组织主要为典型的细针状WC和W2C共晶组织结构。相对等离子重熔球化法和感应重熔球化而言,等离子旋转电极雾化法制得的球形铸造碳化钨粉末共晶组织更细密。这是因为,与等离子重熔球化法和感应重熔球化法相比,等离子旋转电极雾化法是将铸造碳化钨原料棒完全熔化,并在离心力作用下甩出凝固,铸造碳化钨熔融液结晶时过冷度更大,形核更迅速,晶核生成数量更多,因而共晶组织更为细密。

  下表为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的 平均显微硬度。可知,3种方法制备的球形铸造碳化钨粉末的显微硬度均在2800 HV0.1以上,其中等离子旋转电极雾化法制得的粉末显微硬度最高,可达3045 HV0.1。这主要是由于等离子旋转电极雾化法制得的球形铸造碳化钨内部共晶组织更为细密的缘故。

  下表为不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的流动性和松装密度值。可见,等离子旋转电极雾化法制得的粉末流动性最差、松装密度最小;感应重熔球化方法制得的粉末流动性最好、松装密度最大。

  (1)等离子旋转电极雾化法制备的球形铸造碳 化钨的总碳含量与共晶碳含量理论值的偏差最小, 游离碳含量最低,且杂质含量相对较低。

  (2)等离子旋转电极雾化法制备的球形碳化钨粉末颗粒内部致密,几乎没有缺陷,共晶组织更细密,等离子重熔球化法和感应重熔球化法制备的球 形碳化钨粉末颗粒内部均存在一些明显的孔隙,即出现一些空心粉。

  (4)3种方法制备的球形铸造碳化钨粉末的显微硬度均在2800 HV0.1以上,其中等离子旋转电极雾化法制得的粉末显微硬度最高,可达3 045 HV0.1。感应重熔球化方法制得的粉末流动性最好、松装密度最大。

  参考文献:《不同方法制备的球形铸造碳化钨粉末的性能研究》,王蕾,广东省科学院广东省材料与加工研究所。

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