影響鎢鉬雙金屬壓制的因素分析

朱 琦，張鐵軍，王 林，楊秦莉

(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

碟形鉬基鎢靶是醫(yī)用X－射線管中的旋轉(zhuǎn)陽極。它是在高真空、高溫度、高速度旋轉(zhuǎn)的條件下，經(jīng)受高壓電子的轟擊產(chǎn)生X射線，因此對靶面除了要求有良好的電特性外，還要求靶面材料具有高溫強度、耐熱性能和抗沖擊性能。而且鉬基靶是在高速旋轉(zhuǎn)的條件下工作，還要求靶材具有較高的動平衡。

目前制造鉬基靶的方法主要有氣相沉積法、等離子噴涂法和粉末冶金法。國內(nèi)制造鉬基靶的方法主要采用氣相沉積法，此法的缺點是鎢鉬結(jié)合不牢，易產(chǎn)生龜裂，壽命極短，而且生產(chǎn)成本高，效率低。此方法國外主要用于CT靶的制造。盡管世界上近幾年對等離子噴涂制備靶材的方法進行了大量的研究，但其密度僅能達到理論密度的93%，通過后續(xù)處理雖然可以提高靶材密度，但卻增加了成本，并對基體金屬或合金產(chǎn)生不利影響而使其應(yīng)用受到限制。

本文著重介紹粉末冶金的方法，該方法制備的靶材密度可以達到理論密度的96%～98%，符合靶材對密度的要求，而且成本低廉，鎢鉬層結(jié)合強度高，適合批量生產(chǎn)。目前國外主要采用此方法制備鉬基靶，國內(nèi)應(yīng)用較少。

1 復(fù)合壓制的影響因素

壓制是鉬基靶制造過程中的一個關(guān)鍵工序。壓制后鎢鉬結(jié)合面一般不分層或不出現(xiàn)裂紋，經(jīng)過預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)后，鎢鉬層結(jié)合也較好。反之，則出現(xiàn)分層或裂紋，其主要原因與粉末性能、壓制壓力以及潤滑劑的選取等有關(guān)。

1.1 粉末性能

1.1.1 粉末工藝性能

在鎢鉬的復(fù)合壓制過程中，不僅要求壓坯具有較大的密度，還要求在同一橫斷面上密度分布盡可能均勻一致；壓坯除了保證尺寸、形狀準(zhǔn)確，強度較大外，還要保證沒有掉邊角、無裂紋和分層、凹坑等缺陷。在壓坯的質(zhì)量控制中，粉末的粒度、粒度分布和形貌等粉末物性是首要影響因素。

一般地，粉末愈細，流動性愈差；由于粉末細，松裝密度低，在相同壓力下制得的壓坯密度相對較低。與形狀相同的粗粉末相比，由于細粉末顆粒間接觸點較多，接觸面積增加，其壓縮性能較差，雖然壓坯強度高是其優(yōu)點，在壓制高密度壓坯時，密度分布容易不均勻。在粒度分布的選擇上，應(yīng)選擇非單一粒度組成的粉末，在壓制過程中，細顆粒粉末容易充填到粗顆粒的孔隙中，壓坯密度和強度增加，同時彈性后效減少，易得到高密度的合格壓坯。因此，必須嚴(yán)格控制粉末的粒度及粒度組成。

顆粒形狀對壓制性能也有一定的影響。在影響壓坯質(zhì)量的工藝性能中，粉末流動性的影響是最大的。這是因為流動性好的粉末易于均勻填充模腔，在壓力作用下粉末被擠壓均勻壓縮，制品尺寸形狀易控制，密度較均勻。球形粉末的流動性最好，也易于充填型腔，使壓坯密度均勻，而形狀復(fù)雜的粉末充填困難，易產(chǎn)生“拱橋”現(xiàn)象，不利于壓坯密度的提高。

綜上所述，對粉末的要求是球形且粒度分布較寬的粉末。

1.1.2 粉末粒度

不同粒度(平均粒度)鎢鉬粉末的選取，不僅對壓坯結(jié)合性能有直接的影響，而且對后續(xù)壓制壓力的選取以及燒結(jié)件的密度等產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。

如果選擇粒度很小的粉末，由于粉末流動性小，壓制性能很差，在很小的壓制壓力范圍內(nèi)就能完成壓坯的成形，雖然容易達到較高的強度，但其壓坯密度相對較低，界面結(jié)合力較弱。要提高壓坯密度，就需要有很高的壓制壓力，對于塑性較差的鎢粉，彈性后效也隨之增加，加上壓坯密度不均勻，很容易產(chǎn)生分層和裂紋。

圖1 鎢粉粒度對壓坯性質(zhì)的影響(鋼模壓制)

如果粉末粒度選擇很大，相對壓制性能提高，壓坯的壓制壓力范圍增大，容易得到高密度的壓坯；但是其強度較差，很難達到燒結(jié)件的綜合性能要求。因此，在粉末粒度的選取上，要綜合考慮密度和強度兩個因素，達到兩者的有機結(jié)合。

基于以上的理論分析，在研究粉末粒度對壓坯密度和結(jié)合性能影響的過程中，粒度選取不易過小和過大。

由于鉬粉相對于鎢粉容易壓制一些，因此主要分析鎢粉的壓制性能。對于鎢粉，從圖1可以看出，隨著鎢粉粒度的增加，鎢壓坯相對密度增加，鎢壓坯強度開始增加，而后達到最高點。因此鎢粉粒度的選取應(yīng)該在3～6 m范圍內(nèi)。

2.1 壓制壓力

2.1.1 成形壓力對粉體壓坯密度的影響

不同的金屬粉末有不同的成形壓力范圍，壓力超過此范圍，壓坯的內(nèi)應(yīng)力急劇增加，從而導(dǎo)致壓坯開裂。

一般地，隨著壓制壓力的增加，強度和密度相應(yīng)增加，這不僅是因為顆粒間發(fā)生位移而使孔隙率減少，而且當(dāng)壓力增加到一定程度后，顆粒接觸處可發(fā)生彈性變形，進而發(fā)生塑性變形或脆性斷裂，此變形的結(jié)果，進一步使顆粒被擠緊，密度和強度增加。

但是，對于塑性較差的粉末，壓制壓力難以達到使顆粒發(fā)生塑性變形或脆性斷裂的程度，其孔隙率只能降至30%～40%左右。當(dāng)壓制壓力過大時，壓坯內(nèi)應(yīng)力增加，脫模時由于彈性后效而在壓坯內(nèi)產(chǎn)生分層或斷裂。

2.1.2 鎢鉬粉末的成形壓力范圍

成形壓力對于保證坯塊具有一定強度和最終制品的質(zhì)量起著一定的作用。

與金屬鉬粉相比，鎢粉末顆粒具有更高的硬度和脆性，因而其壓制模量比鉬粉要大；另外，鎢粉末在壓制過程中的硬化趨勢和鉬粉差不多，所以鎢粉末往往在很窄的壓力范圍內(nèi)就能完成顆粒的剛性咬合；若增大壓制壓力超過此范圍，由于鎢粉的+塑變能力較差，壓坯的內(nèi)應(yīng)力急劇增加，從而導(dǎo)致壓坯開裂，所以鎢粉末體的成形壓力范圍是很窄的。在鎢鉬復(fù)合壓制研究過程中，成形壓力的選取以鎢粉的成形壓力選取為準(zhǔn)。

對φ10 mm×5 mm的鎢壓件在1～8 t/cm2壓力范圍內(nèi)研究了成形壓力與壓坯密度及燒結(jié)密度的關(guān)系，結(jié)果見表1。

表1 成形壓力與壓坯密度及燒結(jié)密度的關(guān)系

結(jié)果表明，成形壓力增加，固然可以使壓坯密度增加，但對燒結(jié)密度并無顯著影響。但是成形壓力的增加，不僅對所使用的模具提出了更高的要求，而且所得壓坯由于彈性后效及壓坯中應(yīng)力分布不均等原因，往往導(dǎo)致制品分層及分裂。故對于小尺寸鎢壓坯而言，成形壓力控制在1～2 t/cm2是較適宜的。

2.2 潤滑劑

2.2.1 潤滑劑對鎢鉬粉體壓坯密度的影響

在鎢鉬復(fù)合壓制過程中，對密度均勻性提出了很高的要求。普通壓制(如鋼模壓制)可以保證尺寸的精確，卻使壓制粉體的密度很難均勻化；等靜壓壓制不能保證尺寸的精確，也不利于節(jié)約材料，導(dǎo)致用粉末冶金制備旋轉(zhuǎn)靶的技術(shù)潛力無法得到發(fā)揮。上述成形方法均存在不同程度成本和零件尺寸精度難以保證等問題，必須尋求新的提高壓坯質(zhì)量的技術(shù)途徑。

考慮到鎢鉬粉末壓制性能差別較大，而且力的傳遞不均勻；加入一種固體粉末(潤滑劑)，使之壓制性能接近，壓坯密度更加均勻。

妨礙壓坯密度提高的主要原因是材料粉末的塑性或可壓縮性較差、內(nèi)應(yīng)力大和彈性回彈較大、以及壓制過程中由于摩擦等原因而不能更為有效和均勻地傳遞壓力。加入潤滑劑就是為了改善粉末顆粒間及其與模壁間的潤滑狀況，影響粉末的彈、塑性性質(zhì)，從而提高粉末的流動性和可壓縮性，改善粉末的充填行為，并減少壓力損失，提高有效壓力。

2.2.2 潤滑劑的種類

目前，應(yīng)用于金屬粉末添加劑以增加其壓制性能的主要有Acrawax和Zinc Stearate。Zinc Stearate主要起潤滑模壁的作用，即減小粉末顆粒與模壁間的摩擦力，降低外力損失，有效地提高壓坯密度和改善密度分布。Acrawax既能降低粉末顆粒與模壁間的摩擦，又能有效地降低粉末顆粒間的摩擦，有利于粉末顆粒在壓制過程的旋轉(zhuǎn)和滑動，為顆粒件的相互填充和粉末最大程度的致密化創(chuàng)造條件。

Zinc Stearate作為脫模劑具有易于合成和不易于被水沾濕等特性，廣泛應(yīng)用在塑料和橡膠工業(yè)中，是金屬皂粉中脫模制劑能力最強的一種。Acrawax廣泛用于塑料加工，粉末冶金潤滑、紙、織物和水處理消泡及其他工業(yè)中；珠狀或粒狀的Acrawax，對大多數(shù)熱塑性和熱固性樹脂都有著優(yōu)異的內(nèi)外潤滑、加工助劑及顏料分散的作用。

GKN Sinter Metals是世界上最大的粉末金屬制造公司，近年來逐漸研究出了不含金屬元素的新型潤滑劑和脫模劑，而且在大多領(lǐng)域不再使用Zinc Stearate。這是因為 Zinc Stearate產(chǎn)品雖然費用低廉，使用效果好，但是尾塵中含有有害的氧化鋅顆粒，不僅在采用回收裝置時增加了開支，而且在收集粉塵的處理方面還存在許多問題。而Acrawax的揮發(fā)物在燒結(jié)過程中就可以得到很好的控制，不需要粉塵回收裝置；并且Acrawax是100%有機體，完全燃燒后零殘留，不會對環(huán)境和爐子產(chǎn)生金屬和腐蝕性污染影響的特點，使其無論是粉末狀還是霧化的形態(tài)都能適合粉末冶金的要求。

2.2.3 潤滑劑添加量對粉末壓制行為的影響

潤滑劑的加入量與金屬粉末種類、粒度以及壓制壓力有關(guān)，也與它們本身的性質(zhì)有關(guān)。

壓型時，為了保證壓制性能，加入有機潤滑劑，這樣就增加了碳污染的機會。一旦加入的潤滑劑，在低溫預(yù)燒結(jié)，揮發(fā)不干凈，則在高溫垂熔燒結(jié)時，極易形成鎢或鉬的碳化物。這些碳化物，將使鎢、鉬坯條在以后的加工過程中出現(xiàn)脆點，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，鎢鉬復(fù)合壓制時，應(yīng)盡可能減少潤滑劑的使用。而且潤滑劑添加量過多，雖然脫模壓力下降但壓坯密度降低，彈性后效增加，出現(xiàn)分層和裂紋的機會增多。但是如果添加潤滑劑含量太低，不但壓坯密度沒有增加，有時導(dǎo)致脫模壓力增加，這可能是由于潤滑劑含量過低使?jié)櫥Ч档秃屯鈮鹤饔迷趬号魃系膫鬟f效果下降，同樣不利于粉末壓制性能的提高。

因此，潤滑劑的用量不能太少或過多。潤滑劑的加入量應(yīng)該在能達到高密度和不影響燒結(jié)性能的情況下最小化。

3 鎢、鉬壓坯密度的一致性

采用粉末冶金的方法，通過鋼模壓制的方式，并輔助加入適量的潤滑劑以制備出結(jié)合強度高、密度均勻的復(fù)合鎢鉬壓件，達到旋轉(zhuǎn)靶靶面具有高溫強度和耐熱性能的使用要求。在壓制這一環(huán)節(jié)上得到很好解決后，一個重要問題是如何保證鎢鉬結(jié)合強度高、壓坯密度較均勻而且不出現(xiàn)分層和裂紋的壓坯；結(jié)合面較平整，符合旋轉(zhuǎn)靶靶面的形狀要求。

為保證燒結(jié)件也不出現(xiàn)裂紋和分層，就要保證鎢鉬復(fù)合壓件在燒結(jié)過程中能同步收縮。為此要求合理的鎢鉬粉體粒度匹配。

粒度匹配的原則：

為了使鎢鉬復(fù)合燒結(jié)制品不發(fā)生裂紋和分層，保證鎢鉬復(fù)合壓坯在燒結(jié)過程中仍能有機結(jié)合，就需要保證鎢鉬壓坯的燒結(jié)收縮率一致或接近，為此探討了燒結(jié)收縮率的影響因素。

設(shè)定壓坯密度為ρ壓，燒結(jié)密度為ρ燒，壓坯體積為V1，燒結(jié)后體積為V2，燒結(jié)線收縮率為η，則

設(shè)定鎢粉的壓坯密度為W1，燒結(jié)密度為W2，鉬粉的壓坯密度為M1，燒結(jié)密度為M2，要保證燒結(jié)收縮率一致，則

工業(yè)生產(chǎn)中，鎢粉的燒結(jié)密度約為17.5 g/cm3，鉬粉的燒結(jié)密度約為9.8 g/cm3，所以就要求鎢鉬壓坯密度的比值是一定值A(chǔ)。

影響壓坯密度的因素即約束條件主要有粉末粒度(平均粒度)、潤滑劑含量和壓制壓力。因此，在不同的粉末粒度、潤滑劑含量和壓制壓力下，尋求鎢鉬粉體壓坯密度的匹配關(guān)系是保證鉬基靶制品不產(chǎn)生分層的重要前提。

4 結(jié)論

(1)利用粉末冶金的方法制備鉬基靶，為了保證鎢鉬有機結(jié)合，壓制是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響壓制的主要因素有粉末性能、壓制壓力和潤滑劑，還有壓制速度、保壓時間、卸壓時間及壓制方式等，這些還有待于進一步討論。

(2)選擇適當(dāng)?shù)某尚蛪毫?。對于鎢鉬復(fù)合靶，鎢粉末的成型壓力就是鎢鉬復(fù)合靶的成型壓力。

(3)潤滑劑的選取有一定標(biāo)準(zhǔn)，并對加入量有一定要求，以提高壓坯壓制和燒結(jié)性能、無殘留及符合環(huán)保要求為準(zhǔn)。

(4)為保證燒結(jié)制品不分層或不出現(xiàn)裂紋，鎢鉬粉體收縮率要求同步，即要保證鎢、鉬層具有相同或相近的收縮率。

［1］X－Ray Targt，Wayne charles hasz，Pownal，VT(US)，Patent No.：US 6，428，904，B2，Aug 6，2002.

［2］Rotary Anode for X－Rat Tube Comprising an MO－Contining Layer and a W－Containg Layer Laminated to Each Other and Methed of Producing the Same，Masayuki Itoh，Yamagata，Patent No.：US 6，233，311，B1，May 15，2001.

［3］X－Ray Target，Wayne charles hasz，Pownal，VT(US)，Pub.No：US 2001/0033637 A1，Oct 25，2001.

［4］TWO－STEP BRAZED X－RAY TARGET ASSEMBLY，John M.Warren，North Reading，MA(US)，Pub.No：US 2002/0085678 A1，JUL.4，2002.

［5］劉戊生.一種摻雜鉬合金的制備方法［P］中國，公開號：1269426A，2000.10.11.

［6］李應(yīng)全.碟形鉬基鎢靶的制造方法［P］.中國，公告號：CN 1048117C，2000.1.5.

［7］周和平，陶瓷基板的流延法制備工藝［P］.中國，公開號：CN 1203206A，1998.12.30.