鉬絲抗拉強(qiáng)度影響因素分析

李 晶,安 耿,劉仁智,付靜波,卜春陽(yáng)

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術(shù)中心,陜西 西安 710077）

0 前言

鉬是一種難熔金屬,具有很多優(yōu)良的物理化學(xué)機(jī)械性能。鉬的熔點(diǎn)為2 620℃。由于原子間結(jié)合力極強(qiáng),所以在常溫和高溫下強(qiáng)度均非常高[1]。鉬絲有良好的導(dǎo)電和高溫性能,特別是與玻璃的熱膨脹系數(shù)相近,廣泛用于制造燈泡中的芯線、引出線、掛鉤、支架、邊桿及其他部件；鉬絲是理想的電火花線切割機(jī)床用電極絲,可切割各種鋼材和硬質(zhì)合金,加工形狀極為復(fù)雜的零件,放電穩(wěn)定,表面精度高[2]。

真空電子器件用鉬絲 （如顯像管中電子槍用芯線鉬絲）和電火花線切割機(jī)床用電極鉬絲,因使用條件的精密度及可靠性要求高,故對(duì)其質(zhì)量和性能要求頗為嚴(yán)格,應(yīng)有較大的延伸率和較高的抗拉強(qiáng)度,且尺寸偏差的允許范圍≤1.0％[3]。因此,提高鉬絲的抗拉強(qiáng)度及鉬絲質(zhì)量,延長(zhǎng)線切割鉬絲的使用壽命十分重要。

1 實(shí)驗(yàn)過程

選用4個(gè)批號(hào)的鉬粉,理化性能指標(biāo)見表 1,鉬粉形貌見圖 1。4個(gè)批號(hào)的鉬粉經(jīng)過等靜壓壓制、燒結(jié)成 φ17 mm鉬棒坯。壓制壓力為 180 M Pa,保壓時(shí)間 10 m in；壓制好的鉬桿經(jīng) 1 880℃中頻燒結(jié)25 h；隨后經(jīng)過軋制和旋鍛 2種開坯方式加工出鉬桿,最后拉絲成 φ0.18 mm鉬絲。

對(duì)加工出的鉬絲進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn),對(duì)比不同粒度、不同開坯方式、不同鉬粉形貌加工出的鉬絲力學(xué)性能,分析鉬絲抗拉強(qiáng)度和延伸率的影響因素。

1#、2#鉬粉的費(fèi)氏粒度接近,3#、4#鉬粉的費(fèi)氏粒度接近。4個(gè)批號(hào)的鉬粉采用旋鍛、軋制開坯 2種方式加工出鉬絲。

圖1 鉬粉掃描電鏡照片

1#鉬粉費(fèi)氏粒度最小,形貌多為球形顆粒,大小不均勻,低倍數(shù) （200×）下有些團(tuán)聚現(xiàn)象。2#鉬粉顆粒大小較均勻,多為單顆粒形貌,低倍數(shù) （200×）下也比較均勻。3#鉬粉顆粒大小不均勻,較小的顆粒為球形形貌,較大的顆粒為單顆粒形貌,低倍數(shù)下（200×）有少量團(tuán)聚。4#鉬粉顆粒較大,多為單顆粒形貌,低倍數(shù)（200×）下顆粒分布均勻,無團(tuán)聚現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)加工出的4個(gè)批號(hào)φ0.18 mm鉬絲進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),采用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表 2。

表2 鉬絲抗拉強(qiáng)度和延伸率

根據(jù)表 2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,3#-1的抗拉強(qiáng)度最低, 2#-1的抗拉強(qiáng)度最高。

采用軋制開坯方式加工出的鉬絲力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表3。

表3 鉬絲抗拉強(qiáng)度和延伸率

根據(jù)表 3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,3#-2的抗拉強(qiáng)度最低, 2#-2的抗拉強(qiáng)度最高。

2.1 鉬粉費(fèi)氏粒度對(duì)鉬絲力學(xué)性能的影響

在同等實(shí)驗(yàn)條件下,鉬絲抗拉強(qiáng)度與鉬粉費(fèi)氏粒度的關(guān)系如圖 2所示。（a）為采用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲與鉬粉費(fèi)氏粒度的關(guān)系曲線圖,（b）為采用軋制開坯方式加工出的鉬絲與鉬粉費(fèi)氏粒度的關(guān)系曲線圖。

圖2 鉬粉費(fèi)氏粒度與鉬絲抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

從圖 2中可以看出,無論采用旋鍛開坯方式還是軋制開坯方式加工出的鉬絲,其抗拉強(qiáng)度與原鉬粉的費(fèi)氏粒度不存在線性關(guān)系。但是,從圖中可以看出,費(fèi)氏粒度為 3.0μm的鉬粉,具有最大的抗拉強(qiáng)度。對(duì)應(yīng)于鉬粉的形貌（圖 1）分析,1#、3#鉬粉的形貌都存在顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象,2#、4#鉬粉的顆粒大小均勻。從這一點(diǎn)來看,2#、4#鉬絲的抗拉強(qiáng)度比 1#、3#鉬絲的抗拉強(qiáng)度高。因此,對(duì)于同樣形貌的鉬粉來說,隨著鉬粉費(fèi)氏粒度的減小,鉬絲的抗拉強(qiáng)度增大。

在通常溫度下,晶粒越細(xì),標(biāo)志著晶界面積越大、強(qiáng)度越高,因而變形多集中在晶內(nèi)且分散在很多的小晶粒內(nèi)進(jìn)行,使變形比較均勻。這樣變形時(shí)所造成的應(yīng)力集中就小些,集中的應(yīng)力也比較容易得到松弛,從而使在斷裂前能進(jìn)行較大的變形,故表現(xiàn)出較高的塑性。因此,鉬粉的顆粒越小,則晶界越多,常溫強(qiáng)度和硬度就越高,表現(xiàn)出的塑性也越好。所以,鉬粉費(fèi)氏粒度越小,加工出的鉬絲力學(xué)性能越好。

2.2 開坯方式對(duì)鉬絲力學(xué)性能的影響

從表 2、表 3可以看出,1#-2比 1#-1的抗拉強(qiáng)度高,2#-2比 2#-1的抗拉強(qiáng)度高,3#-2比 3#-1的抗拉強(qiáng)度高,4#-2比 4#-1的抗拉強(qiáng)度高。也就是說,對(duì)于同一個(gè)批號(hào)的鉬絲來說,采用軋制開坯方式加工出的鉬絲抗拉強(qiáng)度比用旋鍛開坯方式加工出的鉬絲抗拉強(qiáng)度高。

有些文獻(xiàn)[3～5]已經(jīng)在開坯方式對(duì)鉬絲性能的影響方面做了一些研究,認(rèn)為采用軋制開坯其變形量大,可以提高材料的力學(xué)性能和內(nèi)部質(zhì)量。同時(shí),鉬絲的抗拉強(qiáng)度和延伸率較高,綜合力學(xué)性能良好。

軋制加工時(shí),材料的變形程度大,再結(jié)晶開始與終了溫度有所降低,晶粒變細(xì)；同時(shí)在一定的工具速度下,變形程度的提高也引起變形速度的提高。變形程度與變形速度的變化,又同時(shí)影響變形溫度的變化,從而影響到硬化與軟化的效果,它又影響變形形式的變化,這些都使金屬組織發(fā)生變化,從而影響金屬性能。

旋鍛加工時(shí),一般材料斷面上的硬度和抗拉強(qiáng)度是由中心層向表面層逐漸增大,特別在道次壓縮率較小、道次數(shù)增多時(shí)更加明顯。因此,在材料的表面層易形成具有很發(fā)達(dá)的纖維組織的硬外殼。這個(gè)硬外殼不僅硬,而且質(zhì)脆,使材料的加工性能變壞。在旋鍛加工時(shí),金屬的變形和組織的不均勻,必然會(huì)引起材料橫斷面上的性能分布也是不均勻的。

因此,在相同的拉絲工藝條件下,軋制加工出的鉬絲力學(xué)性能比旋鍛加工出的鉬絲力學(xué)性能好。

2.3 鉬粉形貌對(duì)鉬絲力學(xué)性能的影響

對(duì)比圖 1的掃描電鏡照片可以看出,2#和 4#的鉬粉為單顆粒形貌,團(tuán)聚體非常少；而 1#和 3#的鉬粉有多種團(tuán)聚體出現(xiàn)。對(duì)應(yīng)于加工出的鉬絲,無論采用哪種開坯方式,2#、4#的鉬絲比 1#、3#的鉬絲抗拉強(qiáng)度高。說明顆粒大小均勻、且無團(tuán)聚的鉬粉,加工出的鉬絲具有較高的抗拉強(qiáng)度。

在金屬壓力加工中,由于鉬粉顆粒大小的不均勻性,造成晶粒的不均勻。晶粒的不均勻性、晶粒的取向和晶界對(duì)硬化的影響也是比較大的,尤其是晶界阻礙位錯(cuò)的滑移造成的影響更甚。晶體在塑性變形中產(chǎn)生應(yīng)力與變形的不均勻分布,也可以由各晶粒所受的應(yīng)力圖示不同和晶粒的大小不同所造成。當(dāng)晶體中各個(gè)晶粒的大小不同時(shí),其各個(gè)晶粒的變形抗力便有所不同,這樣也會(huì)加強(qiáng)應(yīng)力與變形的分布不均。晶粒大小的差別越大,應(yīng)力與變形分布的不均勻程度就越大。

顆粒大小不均勻的鉬粉,表現(xiàn)出晶體變形的不均勻性,這種不均勻性不僅表現(xiàn)在各個(gè)晶粒之間,而且在同一晶粒的各個(gè)部分也表現(xiàn)出差異；顯然這種變形發(fā)展的不均勻性,是由于不同晶粒在空間取向不同所致。這種晶粒間受到的不均勻應(yīng)力,必然造成晶體的變形不均勻。此外,當(dāng)晶體各晶粒的機(jī)械性能,如屈服強(qiáng)度不同時(shí),在外力作用下將產(chǎn)生不同的變形程度,造成晶體的變形不均勻。

因此,具有顆粒大小均勻、無團(tuán)聚的鉬粉,加工出的鉬絲力學(xué)性能優(yōu)良。

3 結(jié)論

通過對(duì)鉬絲力學(xué)性能的研究,認(rèn)為鉬粉的理化性能指標(biāo)、壓力加工工藝等對(duì)鉬絲有一定的影響。在生產(chǎn)鉬絲的過程中,如果要得到抗拉強(qiáng)度高的鉬絲,須嚴(yán)格按照生產(chǎn)工藝,控制各個(gè)影響因素,就可以得到理想的鉬絲。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,選用了幾種有代表性的鉬粉進(jìn)行加工,找出了提高鉬絲抗拉強(qiáng)度的一些因素,得出以下結(jié)論：

（1）具有同樣形貌的鉬粉,鉬粉的費(fèi)氏粒度越小,加工出的鉬絲抗拉強(qiáng)度越高。

（2）軋制開坯方式有利于鉬絲抗拉強(qiáng)度的增高。

（3）顆粒大小均勻、無團(tuán)聚的鉬粉,加工出的鉬絲抗拉強(qiáng)度高。

[1]羅振中,楊曉青,廖利波.國(guó)內(nèi)鉬冶煉及加工技術(shù)最新進(jìn)展[J].中國(guó)鉬業(yè),2008,32（1）：14-18.

[2]羅振中.鉬的應(yīng)用及其發(fā)展[J].中國(guó)鉬業(yè),2003,27（2）：7-10.

[3]詹志洪.鉬絲質(zhì)量的影響因素分析及工藝改進(jìn)措施[J].中國(guó)鉬業(yè),2006,30（2）：28-31.

[4]李惠萍.開坯方法對(duì)鉬棒、絲材組織性能的影響[J].稀有金屬快報(bào),2004,23（10）：28-30.

[5]薛康營(yíng).軋制 -拉伸與旋鍛 -拉伸加工工藝的對(duì)比分析研究[J].中國(guó)鉬業(yè),2000,24（3）：38-43.