Właściwości proszku metalu wolframowego

Wydajność proszku wolframu ma znaczący wpływ na wydajność przetwarzania i jakość kolejnych produktów. Dlatego zarówno dziedzina twardych stopów, jak i dziedzina przetwarzania materiałów wolframowych postawiły odpowiednie wymagania dotyczące czystości chemicznej i właściwości fizycznych surowego proszku wolframu, zwłaszcza wymagania dotyczące właściwości fizycznych są coraz wyższe. 

Czystość chemiczna

Podczas wytwarzania produktów z węglika spiekanego i wolframu wymagana jest stosunkowo wysoka czystość chemiczna proszku wolframu. Pozostałości zanieczyszczeń w proszku wolframu mają wpływ na wydajność przetwarzania i jakość usług produktów. Wpływ jest bardzo złożony, niektóre są szkodliwe, inne korzystne. Obecne badania sugerują, że Ca, Mg, P, As, Si, S, Fe, Ni, Cu, Al i Mo mogą zmniejszać wytrzymałość stopu, podczas gdy K i Na sprzyjają wzrostowi ziaren WC. Natomiast V i Cr hamują wzrost ziaren. Jeśli zawartość Mo w WO przekroczy 0,5%, spowoduje to zmniejszenie wytrzymałości stopu na zginanie. W większości produkowanych obecnie odmian proszku wolframu zawartość resztkowych zanieczyszczeń metalicznych (z wyłączeniem tych dodawanych jako dodatki) mieści się w zakresie od kilku części na dziesięć tysięcy do kilku części na sto tysięcy. 

Tlen w proszku wolframu może reagować z węglikami, pochłaniając węgiel z węglików i powodując odwęglanie węglika spiekanego. Gdy stop jest silnie odwęglony, pojawia się faza γ, co powoduje, że stop jest kruchy. Gaz uwalniający się w wyniku reakcji zwiększa porowatość stopu i zmniejsza jego wytrzymałość. W zależności od różnych procesów i sprzętu redukcyjnego zawartość tlenu w proszku wolframu wynosi na ogół od 0,05% do 0,5% i wzrasta wraz ze zmniejszeniem wielkości cząstek proszku wolframu i wzrostem pola powierzchni właściwej. Dlatego należy odpowiednio złagodzić wymagania dotyczące zawartości tlenu w drobnoziarnistym proszku wolframu. Wymagania dotyczące czystości chemicznej proszku wolframu przedstawiono w tabeli 4-1, a wymagania dotyczące zawartości tlenu pokazano w tabeli 4-2.

Pierwiastki zanieczyszczające w proszku wolframu mogą pochodzić z surowców lub zostać wprowadzone w procesie produkcyjnym. Dlatego ogromne znaczenie ma zapobieganie zanieczyszczeniu materiałów w trakcie procesu. Na przykład podczas produkcji proszku wolframu z wykorzystaniem APT jako surowca materiały wchodzą w bezpośredni kontakt z piecem do kalcynacji, rurami pieca redukcyjnego i tyglami, co powoduje wzrost zawartości zanieczyszczeń takich jak Fe, Ni, Cr i Si oraz spadek czystości chemicznej. Gdy ich zawartość osiągnie określony poziom lub zagregują się do wystarczającej wielkości, mogą stać się źródłem wad w celu dalszego przetwarzania lub użytkowania. Dlatego, aby zapewnić czystość proszku wolframu, oprócz ścisłej kontroli jakości surowca APT, bardzo ważne jest również zapobieganie zanieczyszczeniom podczas procesu. 

2. Właściwości fizyczne

Właściwości fizyczne proszku metalicznego wolframu obejmują głównie średnią wielkość cząstek, rozkład wielkości cząstek, stopień agregacji cząstek, morfologię cząstek, powierzchnię właściwą, gęstość nasypową, gęstość po zagęszczeniu i natężenie przepływu Halla itp. 

(Średni rozmiar cząstek i rozkład wielkości cząstek)

Niezależnie od tego, czy są to produkty z węglika spiekanego czy wolframu, istnieją rygorystyczne wymagania dotyczące średniej wielkości cząstek i rozkładu wielkości cząstek proszku wolframu. W dziedzinie węglika spiekanego wielkość cząstek i rozkład wielkości cząstek proszku W bezpośrednio wpływają na wielkość cząstek i rozkład wielkości cząstek wytwarzanego proszku WC. Wielkość cząstek proszku WC dodatkowo wpływa na działanie produktów z węglika spiekanego. 

Badania wykazały, że właściwości proszku WC są ograniczone przez właściwości proszku W. Po zwęgleniu proszku W w celu utworzenia WC wielkość cząstek ulega niewielkiej zmianie. Aby wyprodukować proszek WC o grubych, średnich i drobnych cząstkach, należy użyć proszku W o grubych, średnich i drobnych cząstkach. Nierówna karbonizacja proszku W skutkuje nierównym proszkiem WC. Zmiany wielkości cząstek proszku po karbonizacji gruboziarnistego, średniego i drobnoziarnistego proszku W pokazano w tabeli 4-3.

Wymagania dotyczące wielkości cząstek proszku wolframu różnią się w zależności od użytkownika. W przypadku twardych stopów, dla różnych rodzajów twardych stopów stosowanych do różnych celów, ze względu na różne rozmiary cząstek użytego proszku WC, istnieją różne wymagania dotyczące średniej wielkości cząstek i składu wielkości cząstek surowca W proszku. Wszystkie narzędzia tnące wymagają, aby proszek W i proszek WC miał drobne cząstki i wąski rozkład wielkości cząstek. Narzędzia udarowe wymagają, aby proszek W i proszek WC był gruboziarnisty i miał szerszy rozkład wielkości cząstek. Średnia wielkość cząstek stosowanych do przygotowania gruboziarnistej WC wynosi 25,8 µm. Reprezentatywny rozkład wielkości cząstek proszku W pokazano na rysunku 4-1.

W przypadku obróbki materiału wolframowego średni rozmiar cząstek i rozkład wielkości cząstek proszku wolframu mają wpływ na wydajność prasowania kolejnych produktów, gęstość surowej bryły (znanej również jako sprasowana bryła) i wydajność spiekania. Mniejszy rozmiar cząstek proszku i bardziej złożone kształty spowodują większe tarcie między cząstkami, co doprowadzi do zmniejszenia gęstości surowej bryły. Im węższy rozkład wielkości cząstek, tym bardziej luźno rozmieszczone są cząstki. Szerszy rozkład wielkości cząstek lub nawet mieszanie proszków o różnych średnich rozmiarach cząstek może osiągnąć lepsze rozmieszczenie cząstek i uzyskać wyższą wytrzymałość surowej masy. W dziedzinie przetwarzania materiałów wolframowych średnia wielkość cząstek proszku wolframu zazwyczaj powinna mieścić się w zakresie od 2 do 6 μm. 

Istnieje wiele metod określania wielkości cząstek proszku i rozkładu wielkości cząstek. Aparat Fischersa i laserowy analizator wielkości cząstek są szeroko stosowane w proszku wolframu. Jednakże ze względu na różne zasady tych dwóch metod pomiaru, zmierzone wartości uzyskane dla tego samego proszku mogą się różnić. Dlatego też wielkość cząstek proszku wolframu należy ogólnie podawać jako średnią wielkość cząstek Fischera lub średnią wielkość cząstek lasera. Dodatkowo należy zauważyć, że proszek wolframu „w stanie dostawy” ma zwykle różny stopień aglomeracji, co jest związane z warunkami produkcji. Średnia wielkość cząstek proszku wolframu zmierzona przy użyciu takich próbek może różnić się od rzeczywistej wielkości cząstek proszku. Na przykład wielkość cząstek jakiegoś matowego drobnego proszku wolframu w „stanie w stanie dostawy” wynosi 1-2 µm, a po depolimeryzacji i dyspersji wartość spada do 0,4-0,5 µm. W przypadku proszku wolframu o wielkości cząstek w zakresie 1-10 μm w większości przypadków pomiar wielkości cząstek „stanu dostawy” może spełnić wymagania produkcyjne. W przypadku submikronowego proszku wolframu i grubszego proszku wolframu, aby dokładniej scharakteryzować wielkość cząstek, do badań średniej wielkości cząstek i rozkładu wielkości cząstek należy zastosować próbki „stanu zmielenia”. 

TRozkład wielkości cząstek proszku wolframu jest powiązany z wielkością jego cząstek. Ogólnie rzecz biorąc, im większa jest średnia wielkość cząstek proszku wolframu, tym szerszy jest rozkład wielkości cząstek. W przypadku danej wielkości cząstek w produkcji metody takie jak stosowanie wilgotnego wodoru lub dodawanie związków metali alkalicznych do tlenku wolframu mogą zwiększyć wielkość cząstek i węższą kontrolę zakresu rozkładu wielkości cząstek. Określenie rozkładu wielkości cząstek często przeprowadza się przy użyciu próbek „w stanie podstawowym”. 

Średnią wielkość cząstek proszku wolframu wyraża się zazwyczaj poprzez jego średnicę (w mikrometrach). Jednak w praktyce produkcyjnej często stosuje się pewne koncepcje półilościowe. Typowe klasyfikacje obejmują: 

Bardzo grube cząstki: Średnia wielkość cząstek > 30 µm; 

30 µm; 

Grube cząstki: Średnia wielkość cząstek 10 do 30 µm; 

Cząstki średniej wielkości: Średnia wielkość cząstek 3 do 10 µm; 

Drobne cząstki: Średnia wielkość cząstek 0,5 - 3 μm; 

Najdrobniejsze cząstki: średni rozmiar cząstek

(2) Stopień agregacji

Stopień agregacji proszków charakteryzuje się zazwyczaj różnicą w wielkości cząstek pomiędzy proszkami w stanie dostawy i proszkami w stanie podstawowym. Stopień agregacji drobnego proszku wolframu jest na ogół wyższy niż grubego proszku wolframu. W przypadku produkcji materiału wolframowego stopień agregacji wpływa bezpośrednio na wytrzymałość surowego kawałka. W procesie produkcji WC stopień agregacji proszku ma wpływ na równomierność rozkładu węgla. 

(3) Morfologia cząstek

Morfologia cząstek proszku wolframu ma wpływ na jego skuteczność prasowania i wytrzymałość surowej masy. Nieregularna morfologia cząstek prowadzi do blokowania się cząstek, zwiększając w ten sposób wytrzymałość zielonego ciała. Sferyczny proszek wolframu ma dobrą płynność i szczególnie nadaje się do natryskiwania materiałów. Podobnie podczas przygotowywania WC morfologia proszku wolframu wpływa również na morfologię proszku WC. 

(4) Powierzchnia właściwa

Całkowitą powierzchnię posiadaną przez jednostkę masy proszku wolframu określa się jako powierzchnię właściwą proszku wolframu, zwykle wyrażaną w jednostkach m2·g-1. Powierzchnia właściwa proszku wolframu zazwyczaj mieści się w zakresie od 0,01 do 12 m2·g-1. Pośrednio odzwierciedla wielkość cząstek i morfologię proszku wolframu i jest ważnym wskaźnikiem oceny aktywności spiekania, charakterystyki rozpuszczania i zdolności reakcji z substancjami gazowymi i stałymi podczas procesu karbonizacji proszku wolframu. 

(5) Gęstość luźna i gęstość zagęszczona

Gęstość sypka i gęstość zagęszczonego proszku wolframu zwiększają się wraz ze wzrostem średniej wielkości cząstek proszku. Zależność pomiędzy gęstością sypką proszku wolframu produkowanego przez określoną fabrykę a średnią wielkością cząstek Fischera pokazano w Tabeli 4-4. Im węższy rozkład wielkości cząstek proszku, tym bardziej złożona morfologia cząstek i im silniejsza agregacja, tym mniejsza gęstość luźnej masy. Ogólnie rzecz biorąc, parametry procesu redukcji można dostosować, aby go kontrolować.

(6) Płynność

Na płynność proszku wolframu wpływa wielkość cząstek, rozkład wielkości cząstek i morfologia cząstek. Im grubsze cząstki proszku, im bardziej okrągłe i gładsza powierzchnia, tym lepsza płynność. Płynność proszku wolframu mierzy się zwykle za pomocą natężenia przepływu Halla, które wyraża się jako czas potrzebny, aby 50 g proszku wolframu przepłynęło przez określony mały otwór w przepływomierzu Halla. Płynność proszku wpływa bezpośrednio na obciążenie objętościowe podczas procesu prasowania i równomierność gęstości odlewu ciśnieniowego. 

(7)Ściśliwość

Ściśliwość odnosi się do zdolności sproszkowanego wolframu do kompresji w określonych warunkach prasowania. Zwykle mierzy się go w standardowych formach w określonych warunkach smarowania i wyraża się gęstością proszku sprasowanego produktu pod określonym ciśnieniem. Można to również przedstawić w postaci wykresu krzywej pokazującej zmianę gęstości prasowanego produktu pod wpływem ciśnienia prasowania. 

(8) Formowalność