電子束懸浮熔煉鉬錸合金鑄錠的熱加工方法

張軍良,李中奎,付 潔,夏明星,殷 濤,劉 輝,2

(1.西北有色金屬研究院新材料研究所,陜西 西安 710016) (2.西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710055)

電子束懸浮熔煉鉬錸合金鑄錠的熱加工方法

張軍良1,李中奎1,付 潔1,夏明星1,殷 濤1,劉 輝1,2

(1.西北有色金屬研究院新材料研究所,陜西 西安 710016) (2.西安建筑科技大學(xué),陜西 西安 710055)

電子束懸浮熔煉鉬錸合金鑄錠晶粒粗大,致使熱加工性能變差,鍛造過程出現(xiàn)開裂,文章分析了鍛造過程材料的受力狀態(tài),認(rèn)為是垂直晶界的拉應(yīng)力導(dǎo)致沿晶開裂,據(jù)此提出了熱軋開坯的工藝方法,且規(guī)定第1道次平行鑄錠軸向喂料,軋制過程中材料產(chǎn)生剪切滑移變形,滑移面與晶界成一定夾角,不產(chǎn)生垂直晶界的拉應(yīng)力,避免了拉應(yīng)力作用下的沿晶開裂,獲得優(yōu)質(zhì)熱軋板。

鉬錸合金;粗晶;鍛造;拉應(yīng)力;沿晶開裂;軋制;剪切滑移;應(yīng)力方向

0 前 言

鉬錸合金因其良好的室溫塑性、高溫強度以及再結(jié)晶后仍能保持較好塑性的特點,而廣泛應(yīng)用于電真空器件,制成柵極、隔熱屏等電子元件[1]。

良好的室溫塑性使得深加工成型較為方便,例如裁剪、卷筒、深沖等都比純鉬加工要容易得多,不易出現(xiàn)毛刺、分層和開裂。

良好的高溫強度使得制成的零件在通電加熱到較高溫度時不發(fā)生變形、扭曲,從而保證了器件的正常使用,不易發(fā)生短路、電場強度不均等故障,保證了器件的正常工作。

通電加熱到較高溫度,發(fā)熱元件會產(chǎn)生再結(jié)晶,當(dāng)用純鉬制作元件時,再結(jié)晶后溫度降到室溫時零件會變脆,經(jīng)不起震蕩、撞擊等外力作用,而用鉬錸合金制作的元件再結(jié)晶后仍能保持一定塑性,可經(jīng)受震動、撞擊作用而不斷裂,這就使得元件的使用壽命和工作可靠性大幅度提高[2]。

在高溫、高真空條件下服役的鉬錸合金還必須具有較低的雜質(zhì)含量,特別是氣體雜質(zhì)含量。因為高溫下氣體元素會從合金中釋放出來,降低電子管的真空度,進而影響電性能及使用壽命。

為獲得雜質(zhì)含量低的高純鉬錸合金,采取了電子束懸浮熔煉工藝。該工藝熔煉溫度高,精煉時間長,雜質(zhì)元素能夠充分揮發(fā),鑄錠不與坩堝接觸,避免了外界雜質(zhì)的污染,因而可獲得純度≥99.99%的鉬錸合金鑄錠[3],滿足電真空場合的使用要求。

然而事物總有兩重性,提高純度的同時造成了鑄錠的晶粒特別粗大,有時可能出現(xiàn)一束晶粒從鑄錠的一端長大到另一端,甚至出現(xiàn)類似單晶的狀態(tài),這樣的結(jié)晶狀態(tài)對壓力加工是非常不利的,最易出現(xiàn)的問題是在外力作用下鑄錠出現(xiàn)較大的沿晶開裂,以致不能加工成材。

為了解決熱加工開裂問題,本文試驗了從材料的受力狀態(tài)及剪切滑移方向入手,使加工過程有利于材料變形,避免了裂紋的萌生與擴展,獲得了合格板材。

1 試驗過程概述

1.1 鍛造開坯試驗

鍛造開坯在750 kg空氣錘上進行,坯料尺寸為φ32×240 mm,首先采用氫氣爐加熱,1 550℃自由鍛,力圖將圓棒鍛造成板坯,結(jié)果在兩邊出現(xiàn)水平方向平行鑄錠軸向的開裂,以及端部中心鉛垂方向的開裂且向鑄錠軸向擴展,未能加工成材。第2步進行率鍛試驗,力圖在率子的約束作用下由粗棒材鍛造成細(xì)棒材,先破碎粗晶,再自由鍛成板坯,結(jié)果在率鍛時仍然出現(xiàn)水平方向的開裂。試驗結(jié)果表明,材料的熱加工性能較差,很難進行鍛造加工,必須針對開裂原因采取有效措施,方有可能獲得熱加工板材。

1.2 熱軋試驗

根據(jù)鍛造過程產(chǎn)生裂紋的部位以及裂紋擴展方向分析鍛造開裂原因,認(rèn)為是材料在拉應(yīng)力作用下發(fā)生了沿晶開裂。要解決開裂問題可從兩條途徑入手,一是減小拉應(yīng)力,二是使材料受力方向與晶界成一定夾角。

由此設(shè)計了鑄錠直接熱軋開坯的加工方法,順利加工出了熱軋板材。

2 試驗結(jié)果及理論分析

2.1 鍛造開裂原因分析

圖1給出了懸浮熔煉鑄錠鍛造開裂的斷面宏觀相。從圖1中可以看出晶粒非常粗大,且長度方向很長,貫穿鑄錠始終。

圖2給出了自由鍛過程材料的受力狀態(tài)示意圖。

從圖2可以看出材料承受來自錘頭的壓應(yīng)力,在此應(yīng)力作用下產(chǎn)生垂直方向的壓縮變形、水平方向的寬展流動,由此在棒材兩邊表面產(chǎn)生切向拉應(yīng)力,由于電子束懸浮熔煉鑄錠晶粒粗大,沿軸向生長很長,晶界強度較弱,拉應(yīng)力方向垂直晶界,較小的拉應(yīng)力即可導(dǎo)致沿晶開裂,形成厚度方向的層裂。

在棒材端部,同樣,由于表面無約束,在鉛垂方向沖擊力的作用下材料產(chǎn)生軸向及寬方向的流動,產(chǎn)生鉛垂方向的開裂,且沿鑄錠軸向擴展,形成人字形裂紋。

圖1 懸浮熔煉鑄錠鍛造開裂的斷面宏觀相

圖2 自由鍛過程材料的受力狀態(tài)示意圖

圖3給出了率鍛過程材料受力狀態(tài)示意圖。

圖3 率鍛過程材料受力狀態(tài)示意圖

從圖3中可以看出在與率子接觸的部分,材料承受壓應(yīng)力,迫使材料向兩邊無約束處流動。受表面張力及摩擦力的作用,在水平方向兩邊金屬表面形成垂直方向的拉應(yīng)力,由于鑄錠晶粒粗大,沿軸向長度很長,拉應(yīng)力方向垂直晶界,而晶界強度很低,因此易形成拉伸裂紋,且沿晶界擴展很快,最終形成平行軸向的開裂。

由于率子的約束作用,在棒材端部不產(chǎn)生人字型裂紋,說明約束鍛造優(yōu)于自由鍛造。

3.2 軋制過程受力分析

根據(jù)鍛造過程材料受力狀態(tài)分析得知,開裂的原因主要在于垂直晶界的拉應(yīng)力作用,如果想方設(shè)法避免或減輕這種作用,能否防止鑄錠開裂。由此想到圓鑄錠直接熱軋開坯,一舉解決了開裂問題。

圖4所示為懸浮熔煉的粗晶鑄錠在熱軋時的受力狀態(tài)及形變過程示意圖。

圖4 懸浮熔煉的粗晶鑄錠在熱軋時的受力狀態(tài)及形變過程示意圖

第1道次沿鑄錠軸向喂料,當(dāng)料進入軋輥后發(fā)生前滑區(qū)和后滑區(qū)的剪切變形,剪切滑移的方向與晶界的方向成一定夾角,剪切滑移可以穿越晶界,實現(xiàn)大范圍的剪切變形,晶界承受來自傾斜方向的剪應(yīng)力,發(fā)生剪切滑移,沒有拉應(yīng)力作用,這與鍛造時形成垂直晶界的拉應(yīng)力形成鮮明對比。正拉應(yīng)力作用下易出現(xiàn)晶界的拉伸破壞,而與晶界成一定夾角的剪應(yīng)力不會導(dǎo)致拉伸破壞。

剪切滑移產(chǎn)生的位錯運動到晶界,可以導(dǎo)致位錯堆積,但躍過晶界在新晶粒上的滑移很快進行,使得位錯向另一晶粒運動,因而在晶界處的位錯堆積量不會達到導(dǎo)致裂紋形成的量級,即不會萌生裂紋。

軋制過程中變形區(qū)是在不斷向前移動的,每一個剪切面產(chǎn)生的滑移量不大,隨著軋輥的轉(zhuǎn)動,剪切變形區(qū)向新的區(qū)域轉(zhuǎn)移,原有滑移面上的變形隨著作用力的轉(zhuǎn)移而停止,即滑移量是有限的,不足以導(dǎo)致裂紋的萌生與擴展。

在后滑區(qū),剪切滑移面與前滑區(qū)不同,而新滑移面上的變形流動不會造成前滑區(qū)滑移面上變形的疊加,即剪切滑移達不到形成裂紋的滑移量,故而不產(chǎn)生裂紋。

在后滑區(qū)過后,由于變形熱的影響,使料溫回升,達到回復(fù)再結(jié)晶溫度,材料發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶,使原有的粗大長條晶破碎成細(xì)小等軸晶,而細(xì)小等軸晶的塑性提高,可經(jīng)受后續(xù)的軋制變形。

在垂直軋制方向的水平方向,隨著坯料的寬展,材料承受垂直方向的拉應(yīng)力,此力有可能導(dǎo)致裂紋的萌生,但該拉應(yīng)力只在輥縫最小處一點產(chǎn)生,不像鍛造時那樣在整個錘頭下大范圍產(chǎn)生,因而不會導(dǎo)致裂紋的擴展,最終結(jié)果是不產(chǎn)生裂紋。

在第2道次軋制時可采用換向軋制,剪切滑移在已回復(fù)再結(jié)晶的細(xì)小等軸晶上進行,穿晶滑移變形容易進行,不會出現(xiàn)裂紋。

應(yīng)當(dāng)強調(diào)的是第1道次軋制必須平行鑄錠軸向喂料,使滑移變形層面與晶界成一定夾角。若垂直鑄錠軸向喂料,則剪切滑移面與晶界平行,極易產(chǎn)生沿晶的剪切破裂,使樣品報廢。只有當(dāng)鑄錠沿平行軸向喂入,經(jīng)過一道次或幾道次的變形,材料回復(fù)再結(jié)晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶之后,才能換向軋制,軋出所需尺寸規(guī)格的板材。

開坯方式從鍛造改為軋制,除了改變材料的受力狀態(tài),改變力的作用方向,使材料免受拉應(yīng)力,還有一個重要作用是改變了應(yīng)變速率,鍛造加工時材料的應(yīng)變速率大,而材料的動態(tài)響應(yīng)慢,易導(dǎo)致裂紋的萌生與擴展,軋制變形應(yīng)變速率小,材料的動態(tài)響應(yīng)能夠適應(yīng)變形速率,故而不產(chǎn)生裂紋。

3 結(jié) 論

通過上述分析討論可得出以下幾點結(jié)論:

(1)對電子束懸浮熔煉鉬錸合金鑄錠而言,鍛造開坯易產(chǎn)生拉伸開裂。

(2)熱軋開坯可避免開裂現(xiàn)象,得到合格板材。

(3)軋制開坯不裂的原因是改變了材料的受力狀態(tài),避免了拉應(yīng)力作用,剪應(yīng)力作用方向與晶界成一定夾角,位錯運動到晶界不產(chǎn)生塞積,而是越過晶界向相鄰晶粒運動。

(4)加工方式的改變使應(yīng)變速率降低,從而使材料的動態(tài)響應(yīng)速率能夠適應(yīng)變形速率,因而不產(chǎn)生裂紋。

[1] 譚 強.鉬-錸合金的制造及應(yīng)用[J].中國鉬業(yè), 1998,22(1):27-29.

[2] 楊尚磊,陳艷,薛小懷,等.錸的性質(zhì)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀[J].上海金屬,2005,27(1):45-49.

[3] 譚栓斌,郭讓民,楊升紅,等.鉬錸合金的結(jié)構(gòu)和性能[J].稀有金屬,2003,27(6):788-793.

ELECTRON BEAM LEVITATI ONM ELTINGMOLYBDENUM RHENIUM ALLOY INGOTS THERMAL PROCESSINGM ETHODS

ZHANG Jun-liang1,L I Zhong-kui1,FU Jie1,X IA Ming-xing1,Y IN Tao1,L IU Hui1,2
(1.Northwest Institute ForNon-ferrousMetal Research,Xi’an 710016,Shaanxi,China) (2.Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710055,Shaanxi,China)

Hot workability of the molybdenum rhenium alloy ingots fabricated by electron beam suspension melting deteriorates and cracks during forging because of its coarse grains.The stress state in the process of forgingwas analyzed,and it is suggested that tension stress perpendicular to the grain boundary leads to intergranular cracking. The hot-rolled breakdown process ispresented,and it is suggested that feed direction should be along ingot axis at the first pass.Shear slip defor mation is produced during rolling,and a certain angle should be for med between grain boundaries and sliding surface,so that tension stress is inclined to grain boundaries,avoiding intergranular cracks and obtaining high-quality hot-rolled plates.

molybdenum rhenium alloys;coarse grain;forging;tensile stress;intergranular cracking;rolling; shear slip;stress direction

TG146.4+12

A

1006-2602(2010)05-0038-03

2010-05-25;修改稿返回日期:2010-06-13

張軍良(1955-),男,教授級高級工程師,西北有色金屬研究院新材料所。E-mail:zhangjl@c-nin.com。