碳化钨粉末的微观结构与工艺参数的关系

本研究的主要目的是研究反应温度对碳化钨粉末性能的影响。为此,选用蓝色氧化钨作原料,用氢气还原,还原温度采用900℃和1050℃。用这两种温度还原出来的钨粉再分别在1700℃、1800℃、1900℃和2200℃进行碳化,碳化团块在球磨机中打碎,过筛,得到平均粒度为15μm的粉末,然后对不同工艺得到的8组碳化钨粉进行X射线分析和扫描电镜观察。为分析湿磨对粉末性能的影响,将这8组粉末分别与10％钴粉在酒精溶液中湿磨24小时,并于X射线分析之前,将混合粉末在10％盐酸溶液中煮沸1小时,以去除钴对衍射线形的干扰。X射线衍射标样选用1050℃还原2200℃碳化的碳化钨粉。为研究碳化钨粉末的断口形貌,将碳化后的碳化钨粉单独球磨1小时,制成扫描电镜试样。 X射线分析时,采用CuKα辐射和石墨晶体单色器,实验前用标准硅试样对衍射仪进行校准。相干散射区和微观应变是根据Stockes方法计算的。由标准试样和被测试样的衍射线形,分离出合成的物理加宽线形的Fourier系数A_L,再根据B.E.Warren和B.L.Averbach提出的分离晶格畸变和晶块细化效应的分析方法,将合成的Fourier系数A_L分离为晶块碎化的Fourier系数A_L~S和晶格应变效应Fourier系数A_L~D,即A_L(hkl)=A_L~S·A_L~D(hkl)。应变系数A_L~D与微观应变<ε~2L>~(1/2)的关系为:A_L~D=exp[-2π~2·ε_L~2·L~2Σh_i~2/a~2],其中Σh_1=4(h~2+hk+k~2)/3+(a/c)~2·L~2。L为垂直衍射面方向相干散射区的长度;a,c为六方晶体的点阵常数.平均有效亚晶尺寸D_e由(dA_L~S/dL)_(L→0)=-1/D_e求出。制作形貌相观察的试样时,用酒精将粉末充份分散在试样台上,在粉末上喷镀金膜以增强导电性。图1和图2为Fourier余弦系数A_L与L的关系,图1中的试样为900℃还原钨经1700℃碳化及2200℃碳化的碳化钨粉(称原生碳化钨粉)。由图中(100)和(300)衍射线的变化趋势可以看出,对应不同的L值,A_L(100)和A_L(300)之间存在差别。从而可知,在原生碳化钨中存在微观畸变,而且这种畸变随碳化温度的提高而下降。各批原生碳化钨的亚晶尺寸和微观应变见表2。图2中的试样为经24小时湿磨后的碳化钨粉。曲线在L→0处变化很陡,说明碳化钨己经得到破碎,亚晶尺寸比原生碳化钨大为减小,微观应变则相应增大,图中高指数曲线的摆动是由于处理漫散射线形分析时本底不易取确切的缘故。比较图1与图2可以看到,结晶较为完整的高温碳化粉末比缺陷较多的低温碳化粉末更易破碎。由图3、图4可知,从低温还原的钨粉所制取的碳化钨,晶体内存在较多的缺陷,随碳化温度的提高结晶趋于完善.比较图3和图4还可见到,从1050℃还原的钨粉制取碳化钨时,提高碳化温度的作用比低温还原钨粉的这种作用要显著。对于1050℃还原生成的钨粉,当碳化温度达到1900℃时,碳化钨结晶已相当完善。比较图5与图6,可以看到亚晶尺寸大的粉末比亚晶尺寸小的粉末易于破碎,后者易于与钻粉冷焊,阻碍表面磨擦破碎过程的进一步进行。图7a为结晶完整的碳化钨晶体形貌相。这种粉末是从1050℃还原的钨粉经2200℃碳化制取的。图中可看到平行于六方晶体底面的生长平台。前述X衍射标样即取自这种粉末。由此形貌可知这种碳化钨晶体已完成了再结晶过程。图7b为1050℃还原的钨粉经1700℃碳化制取的粉末,这种粉末为多晶聚合体。图7c中的粉末试样,其碳化条件与图7a中粉末的碳化条件相同,则是还原温度较低(900℃)。图7d为低温还原(900℃)低温(1700℃)碳化的碳化钨粉。比较图7b和图7d,可以看到虽然两者颗粒尺寸相近,但结晶完整性完全不同,这与前述X射线分析结果十分吻合。比较图7a,b,c,d四张照片可以看出,随碳化温度的提高,晶粒长大,结晶也趋于完善。图8a,8b为粉末的断口形貌,图8a为1050℃还原和1900℃碳化的碳化钨粉,断裂出现在晶粒间的狭窄带(图中c处。图8b为900℃还原1700℃碳化的碳化钨粉,结晶形态差,晶内缺陷多,出现贯穿颗粒的大面积断裂(图中c标记)。图9a,图9b分别为1050℃和900℃还原的钨粉,图中清楚地显示了两种钨粉在结晶形态上的差别。本试验所用的试样均以这两种钨粉为原料,由此可知碳化钨粉末的结构和性能与原始粉末的特性有重大关系。最后应当指出,曾经用本试验的8批粉末在相同压制和烧结条件下制成的硬质合金,其力学性能规律与原始碳化钨中微观应变的规律大致相同,即碳化钨的微观应变越低,结晶越完整,合金的综合性能越好。本试验得到以下四点结论:1)原生碳化钨粉中存在微应变,工艺条件可控制微应变的程度。2)碳化钨粉中的微观结构与钨粉的制取温度和碳化温度有密切的关系,提高反应温度,可使碳化钨结构变得完整,而钨粉的制取温度具有更重要的作用。3)湿磨过程的效率与原始碳化钨粉的结构有关,结构完整的粉末易于破碎。4)碳化钨粉的断裂特征与粉末的内部结构有关,结构缺陷较多的粉末可以发生贯穿多晶聚合体的断裂。

THE RELATIONSHIP BETWEEN IMPERFECTION AND PRODUCTION PROCESS OF WC POWDER

X-ray diffraction profiles were obtained from eight process variants of tungsten carbide(WC) powders in both the unmilled and heavily milled conditions. From these X-ray profiles,coherent domain size and microstrain were determined. This study indicated that the degrecof crystalline imperfections in the unmilled WC powder decreased with increasing the reactiontemperatures,i. e. the reduction and carburization temperatures, with the reduction temperaturebeing dominant. Additionally, the morphology of the WC particles was examined using SEM.The particle morphology evaluated by SEM and the degree of crystalline imperfection obtainedby X-ray profiles analysis are in good agreement. The fracture characteristics of theas-received WC powder are closely related to perfection of the powder.