煅燒溫度對(duì)射孔彈藥型罩用金屬鎢粉性能的影響

付代軒

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司, 四川 隆昌 642177)

0 引 言

金屬鎢具有高熔點(diǎn)、高模量、高硬度及良好的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)熱性等優(yōu)良特性[1-3]。鎢具有較高的密度及較高的聲速,是制備石油射孔彈藥型罩的重要原料。鎢粉的質(zhì)量在較大程度上影響了射孔彈藥型罩的壓制性能以及爆轟聚能效果。鎢材料通常采用粉末冶金方法制備。鎢粉由氫氣還原氧化鎢獲得;氧化鎢通過(guò)煅燒仲鎢酸銨(Ammnium Paratungstate,APT)獲得。APT的質(zhì)量和熱分解過(guò)程會(huì)影響最終鎢材料的質(zhì)量[4-5]。APT熱分解的機(jī)理研究較為充分[6-8],但是APT煅燒溫度對(duì)金屬鎢粉性能影響的研究卻鮮有報(bào)道。有資料[9]報(bào)道了煅燒工藝對(duì)碳化鎢粉質(zhì)量的影響,主要指平均粒度的影響,對(duì)粉末的團(tuán)聚形成原因也有討論,認(rèn)為團(tuán)聚是由于鐵元素的混入引起的,但沒(méi)有從煅燒過(guò)程熱行為方面討論團(tuán)聚形成的原因。

本文選取APT熱分解溫度范圍內(nèi)不同相變溫度點(diǎn)的煅燒產(chǎn)物作為研究對(duì)象,在相同條件下將其分別還原為金屬鎢粉,通過(guò)分析鎢粉的形貌和相關(guān)質(zhì)量指標(biāo),試圖找出APT煅燒溫度對(duì)后續(xù)鎢粉性能的影響,為優(yōu)質(zhì)鎢粉的制備提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用廈門(mén)鎢業(yè)海滄分公司的A型仲鎢酸銨。其WO3和H2O的含量分別為89.03%和0.50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。其質(zhì)量狀態(tài)指標(biāo)見(jiàn)表1和表2。

表1 試驗(yàn)用原材料的基本物理性能

表2 試驗(yàn)用原材料的化學(xué)成分(×10-6)

文獻(xiàn)報(bào)道[9-11],單斜晶APT的熱分解過(guò)程中主要存在4個(gè)相變溫度,分別是140、225、290 ℃和425 ℃。本文實(shí)驗(yàn)擬在這4個(gè)溫度分別煅燒1 kg APT獲得相應(yīng)的煅燒產(chǎn)物。煅燒產(chǎn)物在單管還原爐中還原成鎢粉;對(duì)還原后的鎢粉進(jìn)行平均粒度、掃描電鏡、粒度分布和搖實(shí)、松裝密度等測(cè)試分析。

2 分析討論

2.1 掃描電鏡(SEM)分析

圖1為仲鎢酸銨不同溫度煅燒產(chǎn)物經(jīng)氫氣還原制備的中顆粒鎢粉形貌。由圖1可以看出,無(wú)論何種煅燒產(chǎn)物制備的中顆粒鎢粉,鎢顆?；径汲尸F(xiàn)等軸狀。140～290 ℃單顆粒尺寸不均勻,而425 ℃單顆粒尺寸較均勻。

圖1 不同溫度下煅燒產(chǎn)物經(jīng)氫氣還原制備中顆粒鎢粉的形貌

圖1(a)為140 ℃條件下煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后制備的中顆粒鎢粉的形貌,其粉末呈現(xiàn)等軸狀,單顆粒的表面光滑,棱角明顯,其最大尺寸約為4.0 μm,最小尺寸為0.4 μm。有少量單顆粒連接在一起形成二次顆粒,且粘結(jié)程度已經(jīng)出現(xiàn)了燒結(jié)頸;二次顆粒的尺寸在8～13 μm,表明在還原過(guò)程中單顆粒之間出現(xiàn)了燒結(jié)現(xiàn)象,這種燒結(jié)現(xiàn)象造成的粉末之間硬團(tuán)聚用球磨方法很難消除。

圖1(b)為225 ℃條件下煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后制備的中顆粒鎢粉形貌,其粉末也呈等軸狀,單顆粒的表面光滑,棱角較明顯,但沒(méi)有圖1(a)明顯。單顆粒的最大尺寸約為4.0 μm,最小尺寸為0.6 μm。單顆粒連接在一起形成二次顆粒,粘結(jié)程度也出現(xiàn)了燒結(jié)頸,可以看見(jiàn)顆粒連接在一起的顆粒界面,但二次顆粒的尺寸比圖1(a)中小。

圖1(c)為290 ℃條件下煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后制備的中顆粒鎢粉形貌,其粉末呈現(xiàn)多個(gè)顆粒連接在一起。單顆粒表面的棱角沒(méi)有圖1(a)和圖1(b)明顯。單顆粒連接在一起形成二次顆粒,粘結(jié)程度已經(jīng)出現(xiàn)了燒結(jié)頸。從圖1(c)還可以看見(jiàn)顆粒的連接界面,二次顆粒尺寸比圖1(a)和圖1(b)中的小。

圖1(d)為425 ℃條件下煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后制備的中顆粒鎢粉形貌,可見(jiàn)粉末呈等軸狀,單顆粒表面光滑,棱角不明顯。未發(fā)現(xiàn)單顆粒連接在一起形成二次顆粒現(xiàn)象。顆粒大小均勻,鎢粉的分散性比前3個(gè)煅燒溫度下的還原鎢粉都要好。

總體上,隨煅燒溫度升高,還原制備的中顆粒鎢粉的分散性越來(lái)越好,小顆粒間的燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象越來(lái)越少,且顆粒也越來(lái)越均勻。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是在低溫煅燒后APT未完全分解[12],在還原過(guò)程中APT繼續(xù)分解,分解反應(yīng)放出大量熱量[9,11],這些熱量導(dǎo)致小顆粒鎢氧化物局部燒結(jié),使還原出的粒度較細(xì)小的鎢粉顆粒團(tuán)聚。當(dāng)溫度上升至425 ℃時(shí),APT中所存在的分解焓被釋放,沒(méi)有熱量使得鎢粉被熔化燒結(jié),故不產(chǎn)生或較少產(chǎn)生團(tuán)聚。同樣,這種煅燒產(chǎn)物在還原過(guò)程中的熱量釋放過(guò)程可能也影響著鎢粉的粒度分布。熱量的釋放、反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)溫度場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)起伏,導(dǎo)致有些鎢粉的還原條件不一樣,從而導(dǎo)致鎢粉的粒度大小差異較大。

2.2 激光粒度分布分析

圖2為不同溫度煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后制備的中顆粒鎢粉的激光粒度分布曲線。圖2中,除了140 ℃下煅燒產(chǎn)物還原后制備的中顆粒鎢粉的激光粒度分布曲線[見(jiàn)圖2(a)]不呈正態(tài)分布外,其他溫度煅燒產(chǎn)物還原后制備的中顆粒鎢粉激光粒度分布基本服從正態(tài)分布,粒度分布范圍基本都位于1～10 μm。煅燒溫度不高于290 ℃時(shí),制備的中顆粒鎢粉中含有少量的細(xì)顆粒(粒度小于等于1 μm);煅燒溫度在425 ℃時(shí),制備的中顆粒鎢粉中含有少量的粗顆粒(粒度大于等于10 μm),看似與掃描電鏡分析結(jié)果相矛盾。結(jié)合圖1的結(jié)果,這種粗顆粒估計(jì)為松散結(jié)團(tuán)的二次顆粒。

圖2 仲鎢酸銨不同溫度分解產(chǎn)物還原生產(chǎn)的中顆粒鎢粉的激光粒度分布曲線

圖3顯示了各樣品的激光粒度分布特征值及其趨勢(shì)。圖3中D10、D50和D90分別表示累計(jì)含量為10%、50%和90%時(shí)的粒度值。由圖3可知,隨煅燒溫度升高,其粒度分布先是變窄然后變寬。結(jié)果表明,APT在低溫下(小于等于290 ℃)的煅燒產(chǎn)物還原后的鎢粉中會(huì)含有一些細(xì)鎢粉;高溫(425 ℃)煅燒產(chǎn)物經(jīng)還原后的鎢粉中會(huì)出現(xiàn)有較寬的粒度分布。結(jié)合圖1可知,煅燒溫度在425 ℃制備的中顆粒鎢粉中含有少量的粗顆粒應(yīng)當(dāng)是松散的假顆粒。

圖3 激光粒度分布特征值隨煅燒溫度的變化趨勢(shì)圖

2.3 鎢粉其他指標(biāo)分析

表3所示為鎢粉的費(fèi)氏粒度、孔隙值及搖實(shí)密度和松裝密度。在低溫下供貨態(tài)和研磨態(tài)的平均粒度之間相差不大,表明低溫下形成的鎢粉中的團(tuán)聚顆粒結(jié)合強(qiáng)度較高,不能被研磨分散開(kāi);425 ℃的鎢粉其供貨態(tài)與研磨態(tài)間的粒度相差稍大,表明在粒度分布曲線中的少量粗顆粒鎢粉是團(tuán)聚造成的,經(jīng)球磨后,這種松散的團(tuán)聚能分散開(kāi)。隨煅燒溫度升高,制備的鎢粉的粒度先增大后而減小。

根據(jù)揮發(fā)-沉積-長(zhǎng)大原理[13-14],還原溫度越高,鎢粉平均粒度越粗。如前面所述,APT煅燒溫度較低時(shí),煅燒產(chǎn)物中還存在有較高的能量,這種能量在后續(xù)的還原過(guò)程中會(huì)影響還原行為,使得實(shí)際還原溫度上升,導(dǎo)致鎢粉的平均粒度上升。當(dāng)APT的煅燒溫度上升到425 ℃時(shí),煅燒產(chǎn)物中所含的能量釋放完成,在還原過(guò)程中不會(huì)使得實(shí)際還原溫度上升,所以相對(duì)鎢粉的平均粒度較細(xì)。

表3 不同溫度分解產(chǎn)物還原制備的中顆粒鎢粉的其他一些物理性能指標(biāo)

2.4 壓制射孔彈打靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述2種不同溫度煅燒工藝的鎢粉按相同配方配置混合粉末制備成藥型罩裝配于102型射孔彈在45號(hào)鋼鋼靶進(jìn)行靜破甲實(shí)驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表4。

表4中,利用低于425 ℃制備的鎢粉壓制的射孔彈平均穿深僅為181 mm;采用高于425 ℃鎢粉壓制的射孔彈平均穿深可以達(dá)到198 mm,且其穩(wěn)定性也明顯較高。

表4 打靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果

文中制備射孔彈藥型罩的工藝為旋壓工藝,對(duì)粉末流動(dòng)性能要求較高。低溫制備鎢有較為致密的結(jié)團(tuán),導(dǎo)致混合粉末流動(dòng)性能較差,成形的藥型罩密度分布不均勻。低溫制備鎢粉在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了較大的宏觀應(yīng)力,在壓制過(guò)程中成形性能不好,壓制所得的藥型罩彈性后效較大,影響了射孔彈在爆轟時(shí)射流的形成。高溫制備的鎢粉形貌規(guī)則,顆粒具有較好的松散性,大部分結(jié)團(tuán)都易于通過(guò)球磨分散,在旋壓過(guò)程中能更加均勻地分布,能制備得到密度分布更為均勻的藥型罩,且不存在宏觀應(yīng)力的聚集,彈性后效較小,利于射孔彈在爆轟時(shí)形成穩(wěn)定的射流。

3 結(jié) 論

(1) 仲鎢酸銨的煅燒分解溫度對(duì)后續(xù)的鎢粉性能有顯著影響,在一定的分解溫度范圍內(nèi),隨著溫度的升高,鎢粉的分散性能會(huì)變好。

(2) 仲鎢酸銨煅燒溫度低于425 ℃所生產(chǎn)的鎢粉會(huì)有較為致密的結(jié)團(tuán);高于425 ℃,大部分結(jié)團(tuán)都易于通過(guò)球磨分散。

(3) 仲鎢酸銨煅燒溫度高于425 ℃制備的鎢粉具有較規(guī)則的形貌及粒度分布,易于制備高密度的藥型罩材料,并使藥型罩在爆轟作用下具有較好的聚能效果,對(duì)提高射孔彈的穿深和穩(wěn)定性效果明顯。

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