不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的性能研究

球形鑄造碳化鎢粉末是一種新型的超耐磨陶瓷顆粒材料，與傳統(tǒng)的碳化鎢相比，球形鑄造碳化鎢具有兩個(gè)顯著的優(yōu)勢(shì)，一是外觀呈規(guī)則的球狀，粉末流動(dòng)性好，潤(rùn)濕性好，作為添加顆粒加入后與周邊組織結(jié)合性好，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中；二是碳化鎢顆粒內(nèi)部組織致密，韌性好，晶粒細(xì)小，硬度高，涂層耐磨效果好且不易在載荷作用下發(fā)生破碎失效。由于其卓越的性能，球形鑄造碳化鎢粉末逐漸在采礦機(jī)械、石油機(jī)械、建筑行業(yè)以及鑄造廠等部件表面防護(hù)中替代傳統(tǒng)碳化鎢粉末獲得應(yīng)用，能顯著提高工件的抗磨損、抗腐蝕和抗氧化性能，延長(zhǎng)工件使用壽命。

目前，市售球形鑄造碳化鎢粉末主要有以下幾種制備方法，分別是感應(yīng)重熔球化法、等離子重熔球化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法。

感應(yīng)重熔球化方法通過(guò)感應(yīng)加熱反應(yīng)器，物料在反應(yīng)器內(nèi)被逐級(jí)加熱到球化溫度，并依靠爐管的振動(dòng)緩慢向前移動(dòng)，一旦物料的分散未控制好，熔融液滴便因碰撞、黏結(jié)長(zhǎng)大，粒度控制困難；而且粉末在運(yùn)行過(guò)程中，不得與反應(yīng)器接觸，否則會(huì)影響整個(gè)球化過(guò)程的進(jìn)行，造成物料的浪費(fèi)。

等離子重熔球化方法是以鑄造碳化鎢粉末為原料，采用射頻等離子焰把氬氣流加熱到3000～10000 ℃的高溫，使鑄造碳化鎢顆粒熔融成液態(tài)，直接快速冷凝成球形顆粒；該方法通過(guò)控制原料粒度狀態(tài)影響球形碳化鎢粉末粒度及組成，易獲得較細(xì)粒度的球形碳化鎢粉末。

而等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法是將碳化鎢棒料作為電極，固定在棒料倉(cāng)內(nèi)，然后在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行等離子霧化。等離子弧將高速旋轉(zhuǎn)的棒料端面熔化，在離心力作用下，熔融的液滴脫離熔池邊緣，以球形顆粒的形式飛射凝固。該技術(shù)避免了重熔球化在超高溫條件下物料分散難的問(wèn)題，所獲得的球形碳化鎢粉末粒度分布區(qū)間窄且易于控制。

以下將對(duì)不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的化學(xué)成分、顯微形貌、微觀組織、顯微硬度以及其他粉體性能進(jìn)行研究。

1.化學(xué)成分

上表為不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末樣品的化學(xué)成分?？梢钥闯觯蛐舞T造碳化鎢粉末的主要成分為W元素和C元素，且都含有微量的Fe、V、Cr、Nb元素。理想的球形鑄造碳化鎢應(yīng)該是WC和W2C的共晶體，其共晶溫度為2525 ℃，共晶點(diǎn)的碳含量為3.840%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。由表中數(shù)據(jù)可知，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的球形鑄造碳化鎢的總碳含量與共晶碳含量理論值的偏差最小，游離碳含量最低；感應(yīng)重熔球化法獲得的粉末總碳含量與理論值相差最大，差值為0.170%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。這是由于感應(yīng)重熔球化法采用石墨管加熱的方式，易導(dǎo)致碳含量的增加。此外，比較粒度相接近的2#、3#和4#樣品可知，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制得的粉末雜質(zhì)含量相對(duì)最低。然而，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制得的 1#樣品雜質(zhì)含量相對(duì)較高，這可能是與鑄造碳化鎢原料棒的質(zhì)量有關(guān)。由此可見，與其他方法相比，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法可以更加準(zhǔn)確地控制球形鑄造碳化鎢粉末的碳含量，防止因滲碳和脫碳造成的過(guò)共晶和亞共晶反應(yīng)，獲得接近完全的共晶組織，這對(duì)改善球形鑄造碳化鎢的組織與性能至關(guān)重要。

2.微觀形貌

球形鑄造碳化鎢粉末樣品的顯微形貌

上圖為不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的顯微形貌?？芍?，3種方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末均為規(guī)則、光滑的近球形。

球形鑄造碳化鎢粉末的橫截面照片

上圖為不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的橫截面照片。由（a）和（b）可見，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的球形碳化鎢粉末顆粒內(nèi)部致密，幾乎沒(méi)有缺陷。而由（c）和（d）可見，等離子重熔球化法和感應(yīng)重熔球化法制備的球形碳化鎢粉末顆粒內(nèi)部均存在一些明顯的孔隙，即出現(xiàn)一些空心粉。其原因主要是因?yàn)樯鲜龇椒ú捎玫钠扑樘蓟u粉末原料中易存在鑄造時(shí)殘留的氣孔，在短時(shí)的等離子或感應(yīng)加熱過(guò)程中，破碎碳化鎢粉末內(nèi)部難以完全熔化，導(dǎo)致顆粒內(nèi)部殘留一些孔隙。

3.微觀組織

球形鑄造碳化鎢粉末腐蝕后樣品的顯微組織照片

上圖為不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末顆粒腐蝕后的顯微組織照片?？梢钥闯?，3種方法制備的球形碳化鎢粉末顆粒內(nèi)部組織主要為典型的細(xì)針狀WC和W2C共晶組織結(jié)構(gòu)。相對(duì)等離子重熔球化法和感應(yīng)重熔球化而言，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制得的球形鑄造碳化鎢粉末共晶組織更細(xì)密。這是因?yàn)?，與等離子重熔球化法和感應(yīng)重熔球化法相比，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法是將鑄造碳化鎢原料棒完全熔化，并在離心力作用下甩出凝固，鑄造碳化鎢熔融液結(jié)晶時(shí)過(guò)冷度更大，形核更迅速，晶核生成數(shù)量更多，因而共晶組織更為細(xì)密。

4.顯微硬度

下表為不同方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的平均顯微硬度。可知，3種方法制備的球形鑄造碳化鎢粉末的顯微硬度均在2800 HV0.1以上，其中等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制得的粉末顯微硬度最高，可達(dá)3045 HV0.1。這主要是由于等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法制得的球形鑄造碳化鎢內(nèi)部共晶組織更為細(xì)密的緣故。