一文了解球形钨粉的制备及应用

颗粒在线讯：高熔点高硬度的金属钨是一种重要的战略物资，广泛应用于碳化钨刀具、电灯丝、工具钢添加剂、火箭、宇宙飞行器、核反应堆等领域。随着科学技术的发展，对原料钨粉也不断提出新的特殊要求，例如高质量硬质合金要求超细钨粉；电子材料和过滤材料要求球形钨粉。

与普通钨粉相比较，球形钨粉具有两个显著的特点。一是外观呈球状，粉末流动性好；二是高振实密度。球形钨粉作为热喷涂、多孔材料、粉末冶金工业等行业应用的高新材料，由于其制备技术的独特性和优异的使用性能，已引起国内外市场和研究者的密切关注，投入了大量的人力、物力进行研究与开发。我国是钨资源大国，钨资源占世界的2／3，研究开发高性能球形钨粉对发挥我国钨资源优势，促进我国材料工业的发展具有十分重要的意义。

球形钨粉的制备方法

1.物理法

1.1电弧喷枪法

刘康美等人用普通直流弧焊机串联作电源，由简单的SCDP--3型电弧喷枪传送控制两根自耗电极钨丝相交启弧熔化，用压缩空气雾化成球形钨粉。用千分尺测钨丝的直径，用电弧喷枪自身的仪器和装置调节测量进丝的速度、熔化电流和两根钨丝极间的电压。研究钨丝直径、进丝速度和极间电压对工作电流、喷粉效果及粉末质量的影响。用该方法制取的球形钨粉粒度分布较宽，粗粉可用于制造过滤器，细粉可制取多孔钨离化器。同时该方法具有设备简单易取，成本低的优点，但是生产效率较低，不利于工业化生产。

1.2 微波单膜腔法

李俊凹将钨粉装入石英玻璃管中，并在微波作用下单模腔烧结炉中进行热处理，对FW-1牌号的钨粉进行球形化处理。结果表明，在微波功率为450-1000w时对FW-1牌号的钨粉处理不同时间后均可观察到多面体原始钨粉的球形化现象。由于w粉颗粒大小基本相同，总表面积大，粒径小，对于微波有足够的投入深度，其相互加热非常均匀。随着加热功率和温度的提高，钨粉的表面扩散也就越强烈，得到的钨粉的球化程度也就越高，因此升高功率和延长处理时间均有助于钨粉的球形化。

1.3等离子体法

所谓的等离子球化技术，是将普通钨粉加到等离子射流体中，使钨粉颗粒表面(或整体)熔融，形成熔滴。熔滴因表面张力而收缩形成球状，再通过快速冷却，将球形固定下来，从而获得了球形钨粉。

2.化学法

2.1气相沉积法

国外于20世纪60年代就开始了制备难熔金属及其化合物球形粉末的研究。1963年，美国的联合化学公司(Allied Chemical Company)发明了一种通过气相沉积从WF6中得到大粒度(40 ~ 650μm)球状钨粉的工艺。该工艺涉及到强烈腐蚀性的HF，劳动条件恶劣，对环保要求很高。

2.2钨粉重氧化-还原法

谢中华等用钨粉通过在一定的温度、氧化时间(温度650~850℃，氧化时间20~40min)和空气气氛下局部氧化形成一种特殊氧化钨。这种特殊氧化钨相成分复杂、粒度比较细(一般为1~3μm)、比表面积比较发达，所以活性很高，在下一步的还原过程中，有利于与氢气充分反应，利于原始钨粉边角和棱角的去除。特殊氧化钨经相同工艺二次还原，所得钨粉多呈球形或者近球形，粒度分布范围比较窄，粗大和超细粒子较少，产品经生产钡钨阴极厂家试用已取得成功。

该方法沿用传统设备，部分改进流程，通过对工艺参数做适当的调整和优化、通过分级对粉末粒度组成进行控制从而制备高质量球形或准球形钨粉，且成本较低，其缺点是球化不充分，球化率低。

2.3仲钨酸铵循环氧化还原法

傅小明以特纯仲钨酸铵为原料，通过特纯仲钨酸铵在氩气中煅烧获得紫钨，紫钨在纯度为99.99%，露点小于-40℃的氢气中进行还原，紫钨还原的钨粉在空气中被氧化为三氧化钨，三氧化钨再在氢气中还原。这种循环氧化还原方法制备亚微米钨粉所使用的工艺路线和设备虽然与传统工业生产钨粉末的工艺路线和设备相似，但是工艺路线长，工艺参数不易于控制，不适合于工业化生产。

2.4钨酸铵超声搅拌-干燥-还原法

该发明先将饱和钨酸铵溶液与分散剂超声波搅拌混合均匀，分散剂以钨酸铵溶液

为基准加入量为1%~2%；然后在超声波搅拌下加入浓硫酸，浓硫酸与钨酸铵的体积比为(15~20):100；在搅拌过程中生产沉淀，然后将沉淀滤出，干燥、破碎后置于氢气还原炉中还原，还原温度为680~ 720℃，得到粒度为1.2~2.8μm的微细球形钨粉。该法在钨粉粒度细化上有显著的作用，并且能得到球形钨粉，但存在着生产成本较高、工序较多、金属实收率较低和废液需要处理等问题，限制了该法在工业上的应用。

球形钨粉的应用概况

由于常规钨粉颗粒形状不规则，不仅流动性差，而且堆积密度小，限制了它的应用。近年来，随着多孔钨材料、热喷涂以及粉末冶金注射成型等技术的发展，球形钨粉的需求与日俱增。

在多孔钨材料的制备中，钨粉的形貌和大小对多孔钨基的孔结构会产生很大影响，进而影响钨阴极的发射性能。采用球形致密钨粉制备的多孔钨基体能够提供均匀的连通孔结构，可以为发射物质钡提供充足的储存空间和迁移通道，这样就可以有效地提高发射电流密度，提升整个阴极组件的性能，促进现代微波电真空器件的发展。当采用规则致密的球形钨粉压制并烧结成多孔钨基体时，球颗粒之间形成的空隙不仅互相关联，并且空隙空间充足，可以储存比较多的钡发射材料。相反，当采用不规则的钨粉雎制并烧结成钨基体时，不仅会导致部分空隙的通道被阻隔，造成钡扩散的断路，降低钡的储存空间，而且，小规则的通道还可能影响迁移到表面钡的分布均匀性，导致电子发射不稳定。因此球形钨粉可以取代常规的钨粉用于制作多孔钨部件。如大功率脉冲微波管的阴极、电子的钡钨阴极、火箭的发汗材料、触媒或触媒的载体、高温下的气体分布板以及气体过滤材料等。 

在热喷涂领域，球形钨粉不仅流动性好，而且得到的涂层更均匀、致密。因而产品具有更好的耐磨性。在粉末冶金工艺中，因球形钨粉的压坯在烧结过程中收缩非常均匀，可实现良好的尺寸控制。球形钨粉正逐渐取代常规钨粉。应用于大功率脉冲微波管阴极、人造卫星定位推进器、火箭喷嘴衬套等。用球形钨粉制造的火箭喷嘴衬套，在热应力下具有良好的抗断裂性和抗腐蚀性。

在制造业中，球形钨粉因其独特的性能而备受关注，现已应用于多孔材料的制备、板材业、热喷涂、电子信息、军工、汽车、粉末冶金等领域。通过控制设备的工艺参数，球形钨粉制备的多孔材料透气性能也更趋完美。

在粉末冶金工艺中，球形钨粉的压坯在烧结过程中收缩非常均匀，可以较好地实现尺寸控制。球形钨粉及其合金因能耐高温而用于制造高级汽车的曲轴、缸筒，军工里的枪筒、炮筒、穿甲弹等，同时由于球化后的钨粉流动性得到了提高，因此应用在热涂层领域中制得的涂层致密性好，而且耐磨性更好。尽管钨可以作为高温材料，但是其抗氧化能力较差，在1000℃以上便会发生氧化，生成三氧化二钨，因此，在高温中使用时需要以惰性气体进行保护。鉴于球形钨粉良好的工业前景，对其制备过程、工艺及实际应用的研究也需要更加深入。

参考文献：

张海宝等.球形钨粉制备与应用研究进展

刘文胜等.球形钨粉制备技术的探讨

施阳和等.球形粉体的制备方法及应用