2.1 粉末形貌
由于研究所用的超高溫熔煉霧化裝置是整個(gè)系統(tǒng)在一密閉的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)熔煉與霧化過(guò)程的連續(xù)化，試驗(yàn)過(guò)程不間斷地進(jìn)行。原料通過(guò)給料裝置連續(xù)加入反應(yīng)器中，原料在反應(yīng)器內(nèi)下降的過(guò)程中吸收足夠的熱量后熔化。原料熔化成液體后，通過(guò)束流孔進(jìn)入霧化器內(nèi)霧化。原料在反應(yīng)器內(nèi)停留的時(shí)間為1 s 左右，在如此短暫的時(shí)間內(nèi)，原料要完成吸熱、發(fā)生反應(yīng)以及WC 和W2C熔化形成共晶體等過(guò)程，見(jiàn)式（1）。
W+WC→W2C（1）
式（1）屬于固-固反應(yīng)，W 顆粒從WC 中奪取一定的C 后，在W 表面層開(kāi)始發(fā)生反應(yīng)，這種過(guò)程不斷進(jìn)行并緩慢滲透到W 顆粒內(nèi)部，反應(yīng)完成后生成W2C。W 粉的粒度及活性直接影響到整個(gè)反應(yīng)過(guò)程的進(jìn)行，如果W 顆粒沒(méi)有完成W2C的轉(zhuǎn)變，由于W的熔點(diǎn)高達(dá)3 410 ℃，在霧化溫度下則無(wú)法熔融，結(jié)果會(huì)以W 晶粒的形式存在于熔液中或獨(dú)立存在并保留到霧化產(chǎn)品中。同樣地，WC 顆粒度及晶粒度也影響反應(yīng)式（1）的進(jìn)行及物料的熔化，影響產(chǎn)品中WC 和W2C共晶體的形成。
因此，在霧化過(guò)程中，粉體粒度分布及霧化溫度等工藝參數(shù)的選擇非常關(guān)鍵。試驗(yàn)結(jié)果表明，為了使鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前驅(qū)體顆粒能全部熔化，并完成組元間的反應(yīng)，前驅(qū)體顆粒度應(yīng)控制在適當(dāng)范圍（80～200 μm）。由于鑄造碳化鎢粉末的熔化溫度為2 525 ℃，霧化成球則需要更高的溫度。因此把霧化溫度控制在其熔點(diǎn)（2 525 ℃）以上的適當(dāng)溫度。研究設(shè)計(jì)了2 600 ℃、2 700 ℃、2 800 ℃、2 900 ℃、3 000 ℃5 種溫度方案制備球形碳化鎢粉末。圖2 是不同霧化溫度得到的碳化鎢粉末形貌，由圖2 可以看出，粉末球化應(yīng)滿足一定的溫度條件，2 600 ℃時(shí)難以球化；2 700 ℃時(shí)，粉末的球化率（已球化的顆粒數(shù)占總顆粒數(shù)的百分比）只有60 %，顆粒形貌也不規(guī)則，表面粗糙不平；2 800 ℃以上溫度才能使粉末全部球化。在2 700 ℃至3 000 ℃條件下，隨霧化溫度增加，粉末球化率提高，顆粒表面光潔，形貌趨好。
霧化溫度對(duì)碳化鎢粉末球化率和流動(dòng)性的影響結(jié)果如表1。由表1 看出，2 700 ℃霧化時(shí)，粉末的球化率低；2 800 ℃時(shí)，球化率達(dá)90 ％，2 900 ℃時(shí)，粒球化率為100 ％。在2 700 ℃至3 000 ℃條件下，隨霧化溫度提高，粉末球化率提高，流動(dòng)性更好。
不同溫度霧化得到的碳化鎢粉末粒度組成如表2所示。由表2 看出，在2 700 ℃～3 000 ℃條件下，隨霧化溫度提高，細(xì)粉末量增多，粗粉末量相應(yīng)減少。小于45 μm 的細(xì)粉末分別為0％、0.2％、1.3％、3.4％；
大于175 μm 的粗粉末分別為18.4 ％，9.4 ％，3.5 ％，0.6 ％，這說(shuō)明溫度增高時(shí)，碳化鎢熔體的過(guò)熱度增大，黏度減小，破碎熔體液滴所需要的能量小，在相同的條件下霧化時(shí)，得到的細(xì)粉末量較多。
2.2 微觀組織、相結(jié)構(gòu)及性能
圖3 是球形碳化鎢粉末宏觀形貌及微觀組織的電鏡照片，可以看出：粉末為球形，表面光滑，粉末的微觀組織細(xì)小，為典型的羽片狀共晶組織結(jié)構(gòu)，表明在整個(gè)熔煉和反應(yīng)過(guò)程中，前驅(qū)體已吸收足夠的熱量后完成了W 到W2C、WC 的反應(yīng)，在隨后的冷卻過(guò)程中形成了WC、W2C共晶體。
圖4 為超高溫霧化制備球形碳化鎢粉末的X-ray 衍射物相分析結(jié)果。由圖可以看出，只存在WC 和W2C兩相組織，在高溫及前軀體顆粒度適當(dāng)?shù)那闆r下，前軀體顆粒吸收了足夠的熱量而全部熔化并發(fā)生反應(yīng)，形成WC 和W2C共晶體。
球形鑄造碳化鎢粉末的化學(xué)成分及物理機(jī)械性能見(jiàn)表3、表4。
2.3 霧化機(jī)理分析
在霧化過(guò)程中，金屬液滴形成后，在表面張力作用下，由不規(guī)則狀逐漸趨于球形。在較高的過(guò)熱溫度下，液滴在凝固前有足夠長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行球化，所以粉末最終呈球狀或類球狀；而在較低的過(guò)熱溫度時(shí)，金屬液滴經(jīng)一次破碎后就已經(jīng)凝固，或者在二次破碎的過(guò)程中凝固，粉末的粒度較粗，液滴也因球化時(shí)間遠(yuǎn)小于其凝固時(shí)間而成啞鈴或其他形狀。在霧化過(guò)程中，熔體的物理性質(zhì)—密度、表面張力和黏度影響著熔體的流動(dòng)特性和霧化特性。Tate[11]等人研究了液體的物理性質(zhì)對(duì)霧化特性的影響。理論上，通過(guò)噴嘴的質(zhì)量流率隨液體密度的變化而變化。實(shí)際上，如果沒(méi)有液體其他物理性質(zhì)或外部環(huán)境的影響，液體的密度很難改變。由于液體的可壓縮性極小，密度變化不大，所以在多數(shù)情況下，液體密度對(duì)霧化過(guò)程的影響很小。
霧化使連續(xù)的液體碎裂成細(xì)小的液滴，液滴的穩(wěn)定性取決于液體的表面張力，它阻止液滴表面的變形，表面張力主要控制粉末的形貌，黏度則對(duì)粉末粒度產(chǎn)生重要影響。霧化所需的最小能量就等于表面張力乘以液體表面積的增加量。對(duì)于一定的熔體，在適當(dāng)?shù)臈l件下，其表面張力和黏度受過(guò)熱度的影響，隨著過(guò)熱度的增大而減小。
針對(duì)過(guò)熱度對(duì)熔體球化的影響，采用球化指數(shù)描述球化程度（如圖5 所示）。所謂球化指數(shù)就是將粉末在正方向投影，以投影的x 和y 方向長(zhǎng)度之比定義為球化指數(shù)，見(jiàn)式2。碳化鎢熔體過(guò)熱度（T=霧化溫度-2 525 ℃）對(duì)粉體球化指數(shù)S 的影響見(jiàn)圖6。
其擬合曲線為：S=1+3/4（T-300）2×10-4。
S=a/b （a＞b） （2）
當(dāng)S=1 時(shí)，粉體為理想球形；S＞1 時(shí)，粉體為不
規(guī)則形狀。要使粉末球化，必須滿足一定的溫度條件即過(guò)熱度條件。從2 700 ℃到2 850 ℃，隨著溫度增加，熔體的表面張力和黏度減小，粉末球化率提高。顆粒在較高的過(guò)熱度條件下能夠自動(dòng)收縮成球形。
3 結(jié)論
（1）以鎢粉、炭黑、碳化鎢粉前軀體或多角狀碳化鎢為原料，采用高溫熔煉、惰性氣體超高溫霧化，可制得流動(dòng)性好、耐磨性佳、綜合性能優(yōu)良的球形碳化鎢粉末。
（2）當(dāng)2 800～3 000 ℃霧化時(shí)，隨霧化溫度提高，得到的細(xì)粉末增多、粉末的球形度和球化率均提高。
（3）所制得的球形碳化鎢粉末外觀呈球狀，具有良好的流動(dòng)性，內(nèi)部為細(xì)針狀共晶組織，為WC、W2C純共晶結(jié)構(gòu)，顯微硬度3 200HV，霍爾流速6.5 s/50 g。
（4） 考慮熔體過(guò)熱度T 對(duì)粉末球化的影響，采用球化指數(shù)S 描述粉末球化的程度，建立了碳化鎢粉末球化指數(shù)S 與熔體過(guò)熱度T 的關(guān)系式。
