本發(fā)明涉及粉末冶金領(lǐng)域，具體是涉及一種可用于耐磨層的堆焊和噴涂，例如作為堆焊和噴涂用藥芯焊絲制造的初始用料的難熔碳化鎢WC+W2C球形粉末的制備方法。
背景技術(shù)：
目前有一種球形堆焊材料的生產(chǎn)方法和裝置（SU 503 688，1976.02.25），包括含有一個可旋轉(zhuǎn)的石墨坩堝的真空室，真空室蓋是可以移動的。真空室上蓋有非自耗管狀電極。這種堆焊用球形粉末制備方法涉及在旋轉(zhuǎn)石墨電極（陽極）和非自耗鎢管陰極之間產(chǎn)生電流，原材料進入坩堝后在電弧的作用下被加熱。在坩堝中形成的金屬液體在離心力的作用下上升到坩堝邊緣，偏離坩堝并在飛行中被分散成液滴，該過程是在氬氣保護下進行的。但在該裝置中的非消耗電極不能獲得最佳的放電參數(shù)，放電電流值不斷增加，并且在坩堝邊緣處的液體會凝固。這會導致霧化制粉過程的不穩(wěn)定并頻繁更換坩堝，從而降低裝置生產(chǎn)效率和所得粉末的品質(zhì)。
發(fā)表于2007.06.20的RU 2301133專利也描述了一種碳化鎢粉末的生產(chǎn)方法和設備。這種碳化鎢粉末的生產(chǎn)方法包括將原料放入內(nèi)置旋轉(zhuǎn)坩堝，使用等離子氣體-氮氣在坩堝電極之間產(chǎn)生等離子弧放電，從而將原材料熔化。在離心力作用下霧化成液滴，然后液滴冷凝成粉末。這種碳化鎢粉末生產(chǎn)設備包含帶蓋的圓柱形腔室，該腔室與放置用于原料供應的喂料腔同軸，其底部有出粉裝置。在腔室內(nèi)部噴霧裝置以冷卻的旋轉(zhuǎn)導電坩堝的形式同軸于喂料器。電弧等離子槍與旋轉(zhuǎn)坩堝成一定角度安裝在蓋上，等離子槍可改變角度。然而，在坩堝中直接用等離子體進行固體原料的熔化需要大功率，這會導致成本增加和產(chǎn)能降低。此外，通過直接加熱不能完全解決坩堝邊緣形成熔體凝固塊。在凝固塊的形成過程中，霧化過程顯著被抑制或幾乎完全停止。所得到的粉末顆粒具有不同的成分、微觀結(jié)構(gòu)和形狀，導致所得粉末品質(zhì)及力學性能降低。
發(fā)表于2012.04.10的Ru 2446915專利中描述了一種難熔粉末材料的生產(chǎn)方法和它的實現(xiàn)裝置。給定成分的固體原料被加熱到熔點溫度的0.4-0.8區(qū)間，然后送入到腔室內(nèi)的旋轉(zhuǎn)水冷坩堝。在里面被坩堝與等離子弧熱源陰極之間激發(fā)的等離子弧熔化，同時在離心力的作用下集中在坩堝邊上保持液態(tài)，熔化物在氣體氣氛中霧化并冷卻。該裝置包括一個帶蓋圓筒形腔室，在它的軸線兩對面設計料斗用于初始進料，再加上喂料裝置，以及可移動的等離子炬。該室包括由內(nèi)層隔熱的導電材料制成的旋轉(zhuǎn)水冷圓形坩堝所組成的噴霧器，導電材料放在底部，加熱并輸送原料到坩堝，以及收集粉末的料斗連接在其下部。降低等離子體放電電流，從而減少熱損失，減少邊緣的熔體凝固塊，從而降低能耗成本，改善工藝性能。但這種裝置不能完全排除在水冷坩堝表面形成熔體凝固塊，熔體與設置在坩堝底部的導電材料互相反應，導致導電材料被侵蝕，這就需要經(jīng)常的監(jiān)測和定期更換坩堝，并且提供穩(wěn)定的電流給快速旋轉(zhuǎn)坩堝是必要的，電流值對熔體加熱有重大影響。
還有一種球形粉末和顆粒的生產(chǎn)方法，包括圍繞一個垂直軸的旋轉(zhuǎn)圓柱形金屬棒。通過電子束熔化棒料末端，在離心力的作用下從棒料末端分離熔化顆粒，在真空中液滴凝固（參見法國專利號2253591，cl. B22F 9/00，1975）。但是，該方法實施需要直徑約4米的大型臥式工作室，這難以制造且占地面積大。
還有一種生產(chǎn)球形粉末和顆粒的方法，包括繞水平軸旋轉(zhuǎn)的金屬圓柱棒料，通過一個在棒料與非自耗電極之間的電弧燃燒熔化它的末端，在離心力的作用下熔融物自棒料末端分離，在飛行中凝固（參見美國專利，No.3752610, cl. 425-6，1973）。在這種情況下，工作腔直徑約為2米，并由于垂直安裝其占用空間小。然而對于電弧熔煉來說，需要提供大電流給高速旋轉(zhuǎn)的棒料。棒料的平穩(wěn)移動，在熔化之后更換一根新的棒料。這都會導致電流承載元件的加快磨損，改變霧化過程的參數(shù)，從而顯著降低了粉末品質(zhì)。
還有一種生產(chǎn)球形粉末和顆粒的方法，包括圍繞一個垂直軸的旋轉(zhuǎn)圓柱形金屬棒，通過等離子體射流熔融棒料末端，在離心力的作用下從棒料末端分離熔融物，在氣體氣氛中飛行凝固（參見俄羅斯聯(lián)邦No.1106093, cl. V22F 9/02， 1995.05. 27）。該方法采用獨立熱源-電弧等離子槍，它不需要供給棒料電源電流，大大簡化了旋轉(zhuǎn)、移動和更換霧化棒料的過程。充滿了惰性氣體的工作腔也較小，因此霧化的制造成本以及所占工作區(qū)的成本是很小的。但是，這種方法的缺點是由于熔融顆粒與已凝固顆粒的碰撞，粉末（顆粒）內(nèi)部有孔隙，球形度不高。
最新提出的生產(chǎn)球形顆粒和粉末方法，RU 2361698，2009.07.20。在這種制造球形粉末和顆粒的方法中，包括繞水平軸旋轉(zhuǎn)的圓柱形棒料，圓弧等離子體發(fā)生器的等離子體射流熔融棒料末端，顆粒從熔化的棒料末端分離，在離心力作用下分離并在氣體介質(zhì)中凝固。在熔化的過程中，棒料的端面形成一個直徑等于棒料直徑的凹坑，深度為棒料直徑的0.1到0.35。其結(jié)果是，熔融顆粒不是分散在圓盤平面上，而是沿錐形表面形成與凹坑表面相切，形狀類似于球截形。顆粒沿錐形表面移動下落遠離分散區(qū)域，從而避免了顆粒的孔隙產(chǎn)生和顆粒的非球形情況。但在棒料端面形成所需形狀的凹腔，保證高速旋轉(zhuǎn)霧化過程中棒料幾何尺寸的穩(wěn)定性，對于過程參數(shù)，棒料末端與等離子噴口的距離，這些都需要保持非常精確，這是很難達到的。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對上述存在問題和不足，提供一種具有高分散性和穩(wěn)定的粒度及組成、高顯微硬度、高流動性和密度，并能減少非球形粉末的數(shù)量及霧化過程中的功率消耗的難熔碳化鎢WC+W2C球形粉末的制備方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：
本發(fā)明所述的難熔碳化鎢WC+W2C球形粉末的制備方法，其特點是包括以下步驟：
步驟一、采用送料機構(gòu)將碳化鎢棒料從棒料倉送入棒料預熱裝置進行預熱；
步驟二、將預熱后的碳化鎢棒料通過棒料移動機構(gòu)的推桿推入棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的縱切支架中并使其一端伸入霧化室內(nèi)，霧化時，利用棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤作用于縱切支架而實現(xiàn)碳化鎢棒料的高速旋轉(zhuǎn)，且在碳化鎢棒料高速旋轉(zhuǎn)的同時，通過棒料移動機構(gòu)推動碳化鎢棒料向霧化室內(nèi)移動，并確保碳化鎢棒料伸入霧化室的端面與設置在霧化室蓋子上的等離子槍的噴嘴之間保持恒定的距離，其中棒料移動機構(gòu)和棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是安裝在一腔室內(nèi)，且該腔室與霧化室分隔設置；
步驟三、利用等離子槍對準碳化鎢棒料伸入霧化室的端面發(fā)射等離子射流，通過等離子射流將高速旋轉(zhuǎn)的碳化鎢棒料在霧化室中霧化成熔融液滴，并確保在碳化鎢棒料的端面保持一個恒定的熔融層厚度，同時利用碳化鎢棒料高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用而使熔融液滴發(fā)生背離和散射，且散射的熔融液滴在其表面張力的作用下，通過霧化室上設置的冷卻系統(tǒng)提供的冷卻混合氣體冷卻成碳化鎢球形粉末，冷卻成的碳化鎢球形粉末隨同冷卻混合氣體一起進入霧化室底部設置的粉末收集室中；
步驟四、利用粉末收集室內(nèi)的分離裝置將碳化鎢球形粉末從冷卻混合氣體中分離出來，且分離出的碳化鎢球形粉末經(jīng)篩網(wǎng)將粉末中的料頭分離后，進入到料斗內(nèi)。
為了消除縱切支架過熱以及防止碳化鎢球形粉末進入腔室內(nèi)，所述腔室與霧化室之間通過水冷銅盤分隔設置，并通過水冷銅盤上開設的通孔在霧化室與腔室之間形成閉路循環(huán)冷卻通道。
為了有效減少溫度梯度，達到更好提高碳化鎢棒料的抗開裂性能的目的，所述碳化鎢棒料是預熱到熔融溫度的0.2～0.6。
為了提高縱切支架的使用壽命，所述縱切支架由耐高溫合金制成。
為了使碳化鎢棒料能夠在惰性氣氛中更好地形成碳化鎢球形粉末，所述冷卻混合氣體由氦氣和氬氣按10：1的比例混合而成。
為了確保碳化鎢棒料的端面形成恒定的熔融層厚度，所述等離子槍在運行過程中的電弧電流精度至少為2.5%。
為了防止碳化鎢球形粉末從霧化室滲透進入腔室內(nèi)，所述冷卻混合氣體的流速要小于等離子槍提供的等離子射流流速的5倍。
為了便于等離子槍使用位置的調(diào)節(jié)，所述等離子槍上連接有水平驅(qū)動器。
為了使碳化鎢棒料的加熱方便，所述棒料預熱裝置為電流加熱裝置或電阻加熱裝置。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
本發(fā)明通過增加碳化鎢棒料的旋轉(zhuǎn)速度和穩(wěn)定性來提高粉體的分散能力，從而提高粉末的品質(zhì)和性能，例如粉末的硬度、球形度、強度和松裝密度等，同時使用帶有縱向切口的縱切支架來帶動碳化鎢棒料同步旋轉(zhuǎn)，從而保證了對碳化鎢棒料平移運動的可靠控制，而且通過旋轉(zhuǎn)盤帶動縱切支架旋轉(zhuǎn)的方式來實現(xiàn)碳化鎢棒料的高速旋轉(zhuǎn)，既確保了從縱切支架到碳化鎢棒料的接觸和旋轉(zhuǎn)力矩的傳輸，又降低了碳化鎢棒料開始旋轉(zhuǎn)時的表面壓力，從而有效地提高了脆性碳化鎢棒料的抗裂性能，而且通過消除與快速旋轉(zhuǎn)的硬質(zhì)碳化鎢棒料的直接接觸，減少了旋轉(zhuǎn)盤的摩擦，并且通過保持與縱切支架、推桿和碳化鎢棒料幾乎相同的圓周速度，增加了部件的耐用性。同時，使用獨立于等離子槍外的冷卻系統(tǒng)，為離心力作用下凝固的粉末提供冷卻，既減少了顆粒的碰撞，又減少了熱損失。而且，通過預熱棒料減少溫度梯度，大大提高了碳化鎢棒料的抗開裂性能，并減小了等離子體放電電流以降低能耗成本。
由于在霧化前加熱碳化鎢棒料和使用由耐高溫材料制成的縱切支架，因此可以提高棒料制成碳化鎢WC+W2C球形粉末的性能和耐久性，而且通過棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)傳遞扭矩，可減少棒料表面壓力，提高棒料的旋轉(zhuǎn)速度，從而可以提高所得粉體粒徑的分散穩(wěn)定性。在離心力的作用下，熔體通過旋轉(zhuǎn)料斗與水冷銅盤之間形成的通道閉路循環(huán)流動，并且在霧化室內(nèi)形成一個氣體動力學閥，使飛行的熔融液滴加速冷卻，從而有效地減少了非球形粉末的數(shù)量。
本發(fā)明允許使用碳化鎢WC+W2C球形粉末增加復合材料的耐磨性，通過改善碳化鎢球形粉末的微觀結(jié)構(gòu)來沉積濺射膜層，它們的機械性能，尤其是硬度HV0.1超過3100kg/mm2，具有大于9.5／50g的流動性和高達11.5g/sm3的密度，球形度超過90%，高分散度（從40到500微米）和粒徑分布的穩(wěn)定性（合格品率大于85%），減少非球形顆粒，增加生產(chǎn)率，由于高溫度梯度和高速等離子加熱和旋轉(zhuǎn)的動態(tài)加載，提高了碳化鎢棒料的抗裂性能，同時減少了濺射過程中的功率消耗。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
附圖說明
圖1為本發(fā)明采用的設備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明制備難熔碳化鎢WC+W2C球形粉末的方法如下：
碳化鎢棒料15按給定成分以圓棒形式從棒料倉17處使用送料機構(gòu)19經(jīng)閘閥18進入棒料預熱裝置20，該棒料預熱裝置20為電流加熱裝置或電阻加熱裝置，通過電流或電阻加熱裝置將碳化鎢棒料15加熱到熔點溫度的0.2～0.6。然后，使用棒料移動機構(gòu)23，在棒料移動機構(gòu)23的推桿22縮回作用下，將預熱后的碳化鎢棒料15放置入棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)24的具有縱向切口的縱切支架21中，并且使碳化鎢棒料15的一端沿縱切支架21伸入到霧化室11內(nèi)，所述的縱切支架21由耐高溫合金或其它耐高溫材料制成。碳化鎢棒料15在霧化室11內(nèi)的霧化過程中，其旋轉(zhuǎn)和移動是采用棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)24和棒料移動機構(gòu)23進行。棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)24除了縱切支架21，還包括有旋轉(zhuǎn)盤14、與旋轉(zhuǎn)盤14相連接的轉(zhuǎn)軸及與轉(zhuǎn)軸相連接的電機，轉(zhuǎn)軸設置有兩條，用于與縱切支架21相連接的旋轉(zhuǎn)盤14一共設置有四個，即在每條轉(zhuǎn)軸上分別設置有兩個，縱切支架21是通過旋轉(zhuǎn)盤14帶動旋轉(zhuǎn)，且縱切支架21的旋轉(zhuǎn)角速度等于碳化鎢棒料15的旋轉(zhuǎn)速度。預熱后的碳化鎢棒料15的熔化是由等離子體槍8的等離子射流9執(zhí)行。推桿22保證了碳化鎢棒料15按等離子槍8的噴嘴方向平移運動。
由于霧化前預熱棒料，該方法可以提高碳化鎢WC+W2C霧化過程旋轉(zhuǎn)棒料的耐久性能。熔融是通過位于碳化鎢棒料15端面的等離子槍8集中發(fā)射能量進行，該軸線位于水平面。安裝在霧化室蓋子1的等離子槍8裝有水平驅(qū)動器2，等離子槍8的垂直和角位移保證相對于碳化鎢棒料15的端面和允許不同直徑的管坯噴射等離子射流9精確定位位移。
熔融得到的結(jié)果對等離子體加熱的碳化鎢棒料15在其端面耐火合金旋轉(zhuǎn)，并在離心力作用下，使碳化鎢棒料15高速旋轉(zhuǎn)的同時在其端面保持一個恒定的熔融層厚度，熔融液滴則被分散在由氦氣和氬氣按10：1的比例混合而成的冷卻混合氣體中。
形成在碳化鎢棒料15端面的熔融層的恒定厚度，取決于等離子槍8運行的穩(wěn)定工藝參數(shù)，即等離子槍8在運行過程中的電弧電流精度至少為2.5%，以及在等離子槍8的噴嘴與碳化鎢棒料15的端面之間保持恒定的距離。碳化鎢棒料15的端面與等離子槍8的噴嘴之間距離是通過棒料移動機構(gòu)23進行控制和調(diào)節(jié)。在表面張力作用下，分散的熔融液滴在冷卻混合氣體中冷卻后形成球形粉末。
本發(fā)明采用的設備包括密封連接在腔室16上的霧化室11和棒料倉17。棒料移動機構(gòu)23和棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)24是安裝在腔室16上，其中棒料移動機構(gòu)23除了推桿22，還包括有與推桿22相連接的支撐桿、與支撐桿可滑動連接的導軌及與支撐桿相連接的用于控制支撐桿帶動推桿沿導軌移動的電機，推桿22與縱切支架21上用于裝置碳化鎢棒料15的中心通孔位于同一軸線上。霧化室11與腔室16之間通過水冷銅盤10進行分區(qū)，并通過水冷銅盤10上開設的通孔在霧化室11與腔室16之間形成一個閉路循環(huán)冷卻通道12。在離心力的作用下，該閉路循環(huán)冷卻通道12的形狀和尺寸以及它們的空間取向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同時，由單獨設置在霧化室11上的冷卻系統(tǒng)通入的冷卻混合氣體給熔體的分散熔融液滴提供額外的冷卻。而且，冷卻混合氣體的流速要小于等離子槍8提供的等離子射流9流速的5倍，從而提供了一種氣動閥防止碳化鎢粉末顆粒從霧化室11滲透進入安裝相機的腔室16中。在霧化室11的底部連接有粉末收集室3，通過粉末收集室3內(nèi)的分離裝置將碳化鎢球形粉末從冷卻混合氣體中分離。粉末收集室3通過閥門5連接料斗6，以收集粉末和料頭。料斗6具有篩網(wǎng)7，將碳化鎢球形粉末與熔化后的料頭分離。使用特殊的縱切支架21能夠保證碳化鎢棒料15被推桿22可靠地壓入，并以速度等于棒料的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)，從而保證了對棒料平移運動的可靠控制?？v切支架21的存在，確保從支架到碳化鎢棒料15的接觸和旋轉(zhuǎn)力矩的傳輸。該設計降低了碳化鎢棒料15開始旋轉(zhuǎn)時的表面壓力，以提高脆性棒料的抗裂性能。同時，通過消除與快速旋轉(zhuǎn)的硬質(zhì)棒料的直接接觸，減少了旋轉(zhuǎn)盤14的摩擦，并通過保持與縱切支架21、推桿22和碳化鎢棒料15的幾乎相同的圓周速度，增加了部件的耐用性。水冷銅盤10的存在，將霧化室11和腔室16分離，以消除腔室16過熱的可能性以及消除粉末進入腔室16的入口，從而提高棒料旋轉(zhuǎn)機構(gòu)24和棒料移動機構(gòu)23的耐用性。同時，在縱切支架21、碳化鎢棒料15和水冷銅盤10之間通過閉路循環(huán)冷卻通道12在一個閉路循環(huán)形成冷卻混合氣體，可以防止縱切支架21的過熱。
在同等條件下，使用本發(fā)明制備碳化鎢WC+W2C球形粉末，獲得復合材料的耐磨性增加，通過增強耐磨碳化鎢顆粒WC+W2C得到噴涂層。而通過破碎鑄錠獲得的粉末會導致產(chǎn)生裂紋和其它缺陷，是導致失效的關(guān)鍵。此外，在鑄造法制備鑄錠過程中，由于在固液轉(zhuǎn)變狀態(tài)的停留時間長和低結(jié)晶速率，導致碳化鎢有化學和相組成的偏析，并相應地影響機械粉碎得到的粉末材料性能。
總的來說，通過本發(fā)明可提高碳化鎢棒料15的旋轉(zhuǎn)頻率，因此霧化形成的熔融液滴在惰性氣氛中冷卻時結(jié)晶分散，碳化鎢粉末形成幾乎理想的球形，從而有助于機構(gòu)和設備獲得高性能和耐用性。
此外，本發(fā)明除了用于制備碳化鎢WC+W2C球形粉末，還可以用于難熔金屬、合金、硼化物、氮化物、碳氮化物等球形粉末的制備。
本發(fā)明是通過實施例來描述的，但并不對本發(fā)明構(gòu)成限制，參照本發(fā)明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對于本領(lǐng)域的專業(yè)人士是容易想到的，這樣的變化應該屬于本發(fā)明權(quán)利要求限定的范圍之內(nèi)。