硬质合金球齿钨粉还原工艺优化

硬质合金球齿的主要组成成分为碳化钨（WC）和钴（Co)，其具有很好的硬度、强度、较高的熔点、优良的耐磨性以及化学稳定性，因此其在石油开采以及地质钻探等行业中有着广泛的应用。硬质合金球齿是通过镶嵌在钻头上，对岩层进行冲击、旋转、压碎以及剪切来实现挖掘的作用。由于大部分的钻井深度较深、挖掘长度较长，有的可能达到上千米，若球齿因磨损、断裂或者其他原因发生失效，多次更换钻头就会严重影响整体的钻井效率。因此，这也对硬质合金球齿的硬度和耐磨性提出了更高的要求。而其机械性能以及物理性能都取决于组织成分和结构，WC粉的原始性能，尤其是物理性能直接决定了硬质合金球齿的组织结构。WC粉末的质量与钨粉还原工艺是密不可分的，为了得到优质的WC粉末，我们需要结合钨粉还原工艺参数并进行优化，使硬质合金球齿的性能得到大幅度的改善。

首先，从WC粉末的制备过程入手，其基本流程是偏钨酸铵APT（Ammonium paratungstate）→氢气H2预还原→蓝色氧化钨→氢气H2还原→钨粉→加碳碳化→WC块→破碎→过筛制粒→WC粉。通过实验分析，在整个WC粉的制备过程中主要的影响因素包括温度、料层厚度以及粒度分布情况。温度的控制是影响钨粉还原的重要条件之一，良好的温度控制有利于促进还原速率，利于钨粉结晶的完成并且能有效消除钨粉晶内的组织缺陷。但是若还原温度过高会使得钨粉晶发生团聚，钨粉粒度分布变宽，使得WC粉的粒度分布也变宽。不均匀的WC粉粒度对硬质合金球齿性能会有一定的影响。

而料层的厚度也会影响钨粉粒度以及其粒度分布。理论上说，钨粉还原时增加装舟的料层厚度钨粉颗粒会变粗；而反过来减少装舟的料层厚度钨粉粒度会相对较细。但是，往往在实际的生产中，厚的装舟量会引起粉末粒度分布变宽，特别是引起双峰、多峰及尾峰。此外，粒度分布不同的WC粉所生产的硬质合金球齿的硬度也会随着粒度分布变宽而显著降低。其原因是粒度分布较宽的钨粉中会存在差异较大的粗细颗粒，这种差异在碳化的过程中会引起WC晶粒的不均匀长大，使得同一批粉末中既有粗大的单晶颗粒又有由细晶组成的多晶颗粒。当碳化温度较低时，细颗粒以碳化完全，而粗颗粒并未完成完全碳化；当碳化温度较高时，粗颗粒也发生了完全碳化，但是此时的细颗粒已经变成单晶并发生长大。生产硬质合金球齿时，使用单晶和多晶颗粒共存的WC粉，合金混合料破碎时间延长，单晶颗粒不易破碎或破碎一致性较差。压制时压制密度降低，且合金球齿在烧结时易出现晶粒的不均匀长大，严重时可能出现粗晶，是硬质合金球齿的硬度大幅降低。而采用单一的单晶或多晶颗粒均匀性较好的WC粉，混料湿磨的时间更短，颗粒易于破碎也更均匀。因此，通过优化钨粉生产工艺，如控制还原温度、碳化温度、装舟量等，生产出均匀的单晶或多晶的WC粉有利于改善硬质合金球齿的各项性能。

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