高品質(zhì)鉬板坯的要求與鉬板材加工工藝研究

張菊平

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司,陜西西安 710077)

高品質(zhì)鉬板坯的要求與鉬板材加工工藝研究

張菊平

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司,陜西西安 710077)

針對我國目前常規(guī)鉬板坯的質(zhì)量與國外高品質(zhì)鉬板坯之間存在的差距,從鉬板坯的純度、密度及組織結(jié)構(gòu)等方面分析了板坯質(zhì)量對加工及加工性能的影響,提出了高品質(zhì)鉬板坯的要求;通過對鉬板坯熱軋開坯、溫軋及退火工藝的研究,分析了相關(guān)工藝影響因素,確定了提高鉬板材成品率的加工工藝。

鉬板坯;熱軋開坯;溫軋;退火

Abstract:According to the gap of molybdenum plates be tween domestic conventional products and foreign high quality products,the influence of the plates quality to mechanical processing performance was analyzed from plates purity,density and microstructure,and the requirements of high quality products were presented.And a rational processing technologywas analyzed by studying themolybdenum platesof hot-rolling blooming,war m-rolling and annealing processing.

Key words:molybdenum plates;performance,microstructure;hot-rolling blooming;warm-rolling;annealing

0 前 言

鉬是稀有的高熔點(2 620±10℃)金屬,其彈性模量高(320～360 GPa)、線性膨脹系數(shù)小(20～100℃,5.8×10-6～6.2×10-6),熔點高,蒸汽壓力小,蒸發(fā)速度低。鉬產(chǎn)品形式多樣,有鉬棒、鉬板、鉬電極、鉬坩堝、鉬異型件等多種產(chǎn)品。在各種形式鉬的應(yīng)用中,以板材屬最多。而板材應(yīng)用時一般要經(jīng)過軋制及各種類型的成型加工,在目前鉬圓片的加工生產(chǎn)中,成品率僅達到40%～50%,因此,提高鉬板產(chǎn)品質(zhì)量及加工成品率,是當(dāng)前亟待解決的問題。

1 鉬加工及加工材存在的問題

鉬是難變形金屬,其生產(chǎn)過程技術(shù)性很強,工序間“遺傳性”也很強,只要生產(chǎn)過程中一道工序出了問題,將會導(dǎo)致生產(chǎn)全線崩潰,造成無法挽救的損失。鉬板坯是基礎(chǔ),它的質(zhì)量直接影響加工成品率及加工材機械性能。

國內(nèi)企業(yè)鉬坯在加工時容易產(chǎn)生分層、起皮、鼓泡等缺陷,加工成品率僅達到40%左右。而普蘭西鉬坯的加工成品率比國內(nèi)鉬坯的加工成品率約高10%[1]。

表1 國內(nèi)外鉬帶力學(xué)性能的比較[2]

從表1可見,無論是強度還是延伸率,國內(nèi)產(chǎn)品均達不到美國AST M標(biāo)準(zhǔn)。美國AST M標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鉬帶的杯突值大于4.5 mm,保證了深沖性能,而我國國標(biāo)對杯突值的要求僅達到4.0 mm,實際達到的杯突值小于4.0 mm,深沖加工時易出現(xiàn)開裂,達不到使用要求。

2 高品質(zhì)鉬板坯的要求

根據(jù)加工工藝及加工材性能要求,高品質(zhì)鉬板坯主要應(yīng)對化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、密度等進行控制。

2.1 鉬板坯的化學(xué)成分

鉬板坯的純度是衡量板坯質(zhì)量的重要指標(biāo),板坯的純度還會影響鉬加工性能。鉬加工過程中塑脆轉(zhuǎn)變溫度對雜質(zhì)含量非常敏感。間隙雜質(zhì)含量提高,加工脆性增大,加工成品率低。表2為鉬中的間隙元素含量及其塑脆轉(zhuǎn)變溫度。

表2 間隙元素對鉬的塑脆轉(zhuǎn)變溫度的影響[3]

從表2可以看出,隨著O、N、C含量的增加,塑脆轉(zhuǎn)變溫度提高,鉬的脆性增加,導(dǎo)致加工過程的成材率降低。同時,大量研究表明,低熔點雜質(zhì)是引起鉬片缺陷的重要因素。Fe、Ni、Co等是造成麻坑和白點的主要原因,這些雜質(zhì)在高溫下極易揮發(fā)形成麻坑和白點。而間隙雜質(zhì)Al、Mg、Si等與O結(jié)合生成熔點高、硬度大的難變形氧化物,是造成鉬片分層及點狀破裂的主要原因。K、Ca等雜質(zhì)是造成鼓泡、孔洞的主要原因[4]。

鉬板坯純度不僅嚴(yán)重影響加工成品率,還影響加工材物理機械性能。因此,高品質(zhì)鉬板坯要求嚴(yán)格控制并降低鉬板坯中的雜質(zhì)元素含量。

2.2 鉬板坯的密度及組織結(jié)構(gòu)

板坯密度及組織結(jié)構(gòu)直接影響加工材質(zhì)量及加工成品率。板坯密度低于理論密度的90%時,坯料“欠燒”,后續(xù)加工時容易產(chǎn)生開裂或表面龜裂現(xiàn)象。這種“欠燒”密度低的坯料雖然晶粒細小,但孔隙多,經(jīng)過返燒仍然可以進行加工。而當(dāng)坯料“過燒”時,板坯非常脆,無法進行后續(xù)加工,表現(xiàn)在顯微組織上是晶粒粗大,晶界平直,夾雜物聚集于晶界上。如果坯料組織不均勻,如坯料表皮與中心部位不一致,會導(dǎo)致加工變形不一致,出現(xiàn)起皮、分層甚至開裂現(xiàn)象,見圖1。

高品質(zhì)鉬板坯是純度應(yīng)該達到99.97%以上,晶粒結(jié)構(gòu)均勻,晶界細小清晰,燒結(jié)孔細而分布均勻且具有良好的加工性能的坯料。

3 鉬板軋制

3.1 軋制加工試驗過程及方法

用12 mm×60 mm×142 mm的鉬板坯,采用250二輥軋機進行熱軋開坯,采用氫氣保護的鉬絲爐加熱,開坯溫度分別采用1 200℃、1 300℃、1 400℃進行軋制,一火兩道次,板坯厚度從12 mm分別軋到7.5 mm、6 mm、4.5 mm,工藝參數(shù)的選擇見表3。

選取5#試樣所用工藝進行軋制開坯,繼續(xù)進行溫軋工藝試驗,用175二輥軋機進行軋制,一次溫軋采用1 150℃,二次溫軋采用1 050℃,軋制壓下量的選擇見表4。

為排除其他因素的影響,對以上3個試樣采用相同的酸洗、退火及冷軋工藝?yán)^續(xù)加工到1.0 mm,經(jīng)過裁剪,制成成品后,計算其加工成品率。計算結(jié)果見表5。

表3 鉬板熱軋工藝參數(shù)及軋制后表面狀況

表4 鉬板溫軋工藝參數(shù)

表5 板材加工成品率計算

3.2 試樣組織與性能對比

對溫軋加工后1#、2#、3#試樣的組織形貌進行金相分析,見圖2。

圖2 溫軋加工后板材照片

鉬板材隨著變形量的增加,逐漸趨向于纖維結(jié)構(gòu)。由于總變形量的不同,組織結(jié)構(gòu)的差異也比較大。從圖2可以看出,1#試樣鉬板材的纖維組織不夠均勻;2#試樣鉬板材組織較為均勻,在板材厚度方向上分布致密;3#試樣鉬板材內(nèi)部組織出現(xiàn)微裂紋。

3.3 分析與討論

熱軋開坯是鉬板生產(chǎn)過程的第1道工序,該工序不僅要完成幾何形狀的改變,還要完成燒結(jié)態(tài)向加工態(tài)的組織轉(zhuǎn)變,從而改變板坯的機械性能和工藝性能,為后續(xù)加工奠定良好的基礎(chǔ)。在熱軋開坯階段應(yīng)嚴(yán)格控制好開坯溫度和初道次變形率。

熱軋開坯溫度對鉬板性能有明顯的影響。有人曾經(jīng)做過研究,分別對1 100℃、1 200℃、1 300℃、1 400℃、1 500℃開坯溫度下軋制后0.6 mm、0.3 mm厚的板坯性能進行測試,如圖1、圖2所示,在1 300℃下軋制,鉬板的室溫拉伸性能最高,隨著軋制溫度的提高,室溫拉伸性能顯著下降;延伸率指標(biāo)在1 300℃下軋制后較高,隨著軋制溫度的降低,變化不大,但是隨著軋制溫度的提高,延伸率下降較大。由此可見,1 300℃軋制的綜合性能比較好[5]。

圖3 開坯溫度對鉬板坯拉伸性能的影響

鉬屬于體心立方金屬,隨著變形量的增加,逐漸趨向于形成單一的結(jié)構(gòu),由于采用的軋制工藝不同,成品質(zhì)量及成品率差異較大。熱軋加工過程的初道次變形率過小,軋制壓力不足以將鉬坯料壓合到原子引力的范圍內(nèi),晶粒間只是由于初步的塑性變形而相互機械嚙合,晶粒間還存在比較大的間隙,晶粒的結(jié)合強度不高。隨著變形率的增加,較大的軋制壓力使得坯料內(nèi)部有更多的鉬原子間達到金屬鍵引力的范圍,從而使晶粒間的結(jié)合強度得到顯著提高。但當(dāng)變形率過高時,晶粒界面結(jié)合已經(jīng)比較致密,強度增加不多,又由于板材的塑性較差,鉬板的邊裂嚴(yán)重,變形產(chǎn)生的缺陷增加,此外,還會造成軋機的負荷過重。

從表3的實驗結(jié)果可以看到,在1 300℃進行軋制、總變形量控制在50%左右是最為合適的,未出現(xiàn)裂邊現(xiàn)象且板坯表面狀態(tài)良好。

在軋制時,加熱鉬板與空氣接觸,會使鉬板被氮、氧等氣體所沾污,形成沾污層。氮與鉬作用,溫度低于1 000℃時生成MoN和Mo2N,而在溫度高于1 000℃時生成MoN。在氮化過程中,隨著氮化層厚度的增加產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力松弛時就產(chǎn)生微裂紋;氧與鉬隨著溫度的不同會生成不同類型的氧化物,對原料鉬的損耗比較大,而且當(dāng)鉬板表面存在缺陷時,氧會沿著裂縫向內(nèi)滲透[6]。加熱溫度越高,沾污層越嚴(yán)重。由于沾污層比基體鉬硬度高,延伸率差,而且沾污層在鉬板表面分布不均勻,因此,隨著軋制道次和加熱次數(shù)增加,沾污層就會被逐漸壓進基體的表層,當(dāng)其剝落時,整個鉬板表面就會產(chǎn)生深淺不一的凹坑、麻點等缺陷,嚴(yán)重影響鉬板的質(zhì)量。因此,在經(jīng)過熱軋后,轉(zhuǎn)入溫軋的板坯必須經(jīng)過堿、酸洗除去氧化吸氣層,否則不應(yīng)轉(zhuǎn)入溫軋。

溫軋總加工率是保證板材內(nèi)部冷加工織構(gòu)組織不斷細化,降低鉬及其合金塑-脆轉(zhuǎn)變溫度,改善低溫塑性的重要因素,是使板材適于冷加工生產(chǎn)的關(guān)鍵?？偧庸ぢ试酱?轉(zhuǎn)變溫度越低。當(dāng)總加工率大于80%以后轉(zhuǎn)變溫度有急劇下降的趨勢。但是,過大的加工率會使軋制道次增多,表面加工硬化嚴(yán)重,造成不均勻程度增加,導(dǎo)致板材表面出現(xiàn)起皮、分層等缺陷。

從圖2可以看出,溫軋總加工率過小,使鉬板塑性降低,導(dǎo)致鉬板材內(nèi)部物理性質(zhì)和力學(xué)狀態(tài)不均勻;而溫軋總加工率過大,板材加工硬化嚴(yán)重,板材內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。由此可見,應(yīng)當(dāng)選擇適宜的溫軋總加工率。從表5成品率計算的數(shù)據(jù)中可以看出,溫軋的總加工率控制在66.67%時,產(chǎn)品的成品率最高。

4 結(jié) 論

(1)高品質(zhì)鉬板的制備應(yīng)該從板坯的化學(xué)成分、密度及組織結(jié)構(gòu)等方面進行嚴(yán)格控制,在提高板坯純度上應(yīng)盡量降低鉬板坯中的雜質(zhì)元素含量。

(2)用12 mm×60 mm×142 mm的鉬板坯,采用250二輥軋機進行熱軋,開坯溫度控制在1 300℃,開坯總變形量控制在50%左右是合適的。

(3)對以上開坯工藝軋制的板材,繼續(xù)用175二輥軋機進行軋制的情況下,一次溫軋采用1 150℃,二次溫軋采用1 050℃,總加工率控制在66.67%時,產(chǎn)品的成品率最高。

[1]王慧芳.摻雜鉬板材在我國的發(fā)展與前景[J].中國鉬業(yè),1997,23(21):95-98.

[2]GB3462-82[S].

[3]印協(xié)世.提高鎢絲質(zhì)量和經(jīng)濟效益的途徑[J].中國鎢業(yè),2002,17(02):34-36.

[4]吳愛珍,張海南.難熔金屬材料與工程[M].西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1994.

[5]楊文禮.軋制溫度對鉬板組織與性能的影響[A].難熔金屬文集編輯組.難熔金屬文集[C].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所,1983,137-139.

[6]潘樹華.鉬板沾污層的研究[A].難熔金屬文集編輯組[C].難熔金屬文集[C].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)情報研究所,1983,142-143.

THE REQUIREM ENTS OF HIGH QUALITY MOLYBDENUM PLATES AND RESEARCH OF PROCESSING TECHNOLOGY

ZHANG Ju-ping
(Metal Branch,Jinduicheng Molybdenum Co.,Ltd.,Xi’an 710100,Shaanxi,China)

TG333.7+1

A

1006-2602(2010)06-0049-04

2010-01-13

張菊平(1973-),女,壓力加工工程師。