Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響因素淺析

楊秦莉，趙 虎，莊 飛

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

目前，國(guó)內(nèi)稀土鉬制品得到了廣泛應(yīng)用。僅鉬在特種電光源方面的耐高溫鉬絲、鉬桿每年需要60～70t，年產(chǎn)值超過(guò)4 000萬(wàn)元［1］。另外隨著模具工業(yè)的發(fā)展，稀土鉬絲更是理想的電火花線切割機(jī)床用電極絲，年消耗量超過(guò)20億萬(wàn)m［2］。所以鉬鑭合金絲的市場(chǎng)前景被看好。要想獲得成分均勻、一致性好、力學(xué)性能高的鉬合金絲，燒結(jié)體的密度及物性均勻一致是關(guān)鍵。本文就Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響因素進(jìn)行研究，以期對(duì)生產(chǎn)有借鑒作用。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)選取6種物理性能不同的Mo-La粉，La含量0.5％（以下簡(jiǎn)稱鉬粉），將其分別壓制、燒結(jié)成直徑17mmMo-La合金棒。實(shí)驗(yàn)中采用WLP-202型平均粒度測(cè)試儀測(cè)定粉末的費(fèi)氏粒度；采用MasterSize2000激光粒度分析儀測(cè)定鉬粉的粒度分布；采用S3400型掃描電鏡進(jìn)行鉬粉形貌的測(cè)試和Mo-La合金棒坯斷口的組織觀察，用排水法測(cè)量燒結(jié)棒的密度。

1.2 鉬粉的粒度及粒度分布

表1 鉬粉的費(fèi)氏粒度和粒度分布數(shù)據(jù)表

圖1 不同鉬粉的粒度分布曲線

實(shí)驗(yàn)所用鉬粉的費(fèi)氏粒度和粒度分布數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表知：1#鉬粉費(fèi)氏粒度最小，2#、3#、4#鉬粉粒度幾乎相同，6#鉬粉粒度最大。粒度分布數(shù)據(jù)：1#、2#、5#鉬粉的D（0.5）相對(duì)較小，1#、2#、5#鉬粉的粒度分布曲線（見(jiàn)圖1）相對(duì)3#、4#、6#粒度分布曲線偏左，說(shuō)明1#、2#和5#的顆粒總體較3#、4#和6#較細(xì)。比較1#、2#和5#鉬粉的D（0.1）值發(fā)現(xiàn)：2#鉬粉的D（0.1）值比1#、5#都小，說(shuō)明2#鉬粉細(xì)顆粒較多；3#、4#粒度分布曲線基本相同，但是3#總體顆粒較4#較細(xì)，表現(xiàn)為D值都較小。6#的粒度分布曲線和D（0.1）、D（0.5）、D（0.9）值介于2#和4#之間。圖2是鉬粉形貌的SEM照片。1～3#鉬粉顆粒大小相對(duì)均勻，粗細(xì)顆粒尺寸相差不大。而4～6#鉬粉顆粒大小均勻性較差，細(xì)顆粒和粗顆粒尺寸相差較大。4#鉬粉細(xì)顆粒較多，部分以團(tuán)聚態(tài)存在，粗顆粒量少，與細(xì)顆粒粒徑相差較大。5#鉬粉粗顆粒相對(duì)較多，基本呈單顆粒多面體存在；小顆粒量少為“硬團(tuán)聚體”。6#鉬粉粗顆粒較多，其粒徑與細(xì)顆粒相差較大。

圖2 6種不同鉬粉形貌的SEM照片

2 結(jié)果與分析

2.1 鉬粉的費(fèi)氏粒度對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

圖3是不同費(fèi)氏粒度的Mo-La合金棒燒結(jié)密度。可以看出：隨著鉬粉費(fèi)氏粒度的不斷增大，在1 900℃燒結(jié)6h，Mo-La合金棒的燒結(jié)密度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1#鉬粉的粒度最小，其燒結(jié)棒的相對(duì)密度達(dá)到99％以上。而6#燒結(jié)棒的相對(duì)密度未達(dá)到94％。分析原因認(rèn)為：1#鉬粉的粒度小，顆粒較細(xì)。而6#鉬粉粒度大，顆粒較粗。相同工藝燒結(jié)時(shí)，表面能大的細(xì)顆粒相對(duì)表面能較小的粗顆粒，其燒結(jié)速度、致密化的速度較快，致密化程度高；而且顆粒越細(xì)，其堆積越緊密，熱量的傳遞越充分［3］，因此，致密化更容易。最終，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)后，鉬粉費(fèi)氏粒度越大，Mo-La合金棒的燒結(jié)密度越小。

圖3 不同費(fèi)氏粒度對(duì)Mo-La合金棒密度的影響

2.2 鉬粉的粒度分布對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

從圖4可以看出：費(fèi)氏粒度幾乎相同，粒度分布不同的2#和4#鉬粉，在1900℃燒結(jié)6h，Mo-La合金棒的燒結(jié)密度有一定差距。2#的相對(duì)密度達(dá)到99％，而4#只有95％。結(jié)合圖2知：2#鉬粉的粒度分布曲線較4#向左偏移，且2#鉬粉的D（0.5）值明顯小于4#鉬粉。說(shuō)明2#鉬粉顆粒較4#鉬粉的顆粒小。小顆粒因?yàn)槠浔砻婺艽?，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力大，易于燒結(jié)。所以，2#合金棒的相對(duì)密度較高。另外發(fā)現(xiàn)：費(fèi)氏粒度相同、粒度分布曲線幾乎相同，D（0.5）幾乎相同的（參見(jiàn)圖2）3#和4#鉬粉，經(jīng)燒結(jié)3#燒結(jié)棒的相對(duì)密度卻遠(yuǎn)大于4#?？梢?jiàn)，即使費(fèi)氏粒度相同、粒度分布曲線相同（相近）的鉬粉，它的燒結(jié)棒相對(duì)密度也有可能相差很大。因此，鉬粉的費(fèi)氏粒度、粒度組成不能完全解釋鉬粉的燒結(jié)性能。

圖4 不同粒度分布對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

2.3 鉬粉不同形貌對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

1#、2#鉬粉，它們燒結(jié)棒的相對(duì)密度都達(dá)到了99％以上，接近理論密度（見(jiàn)表2）。3#鉬粉其燒結(jié)棒的相對(duì)密度達(dá)到了98.63％。而4#鉬粉燒結(jié)棒的相對(duì)密度95％左右，5～6#鉬粉燒結(jié)棒的相對(duì)密度更低，不到94％。仔細(xì)比對(duì)鉬粉的形貌（見(jiàn)圖2）發(fā)現(xiàn)，顆粒相對(duì)較均勻的1～3#鉬粉，其燒結(jié)棒的相對(duì)密度較高，而顆粒均勻性較差的4～6#鉬粉，其燒結(jié)棒的相對(duì)密度較低。分析認(rèn)為：顆粒大小均勻的鉬粉，鉬粉的表面活性相近，燒結(jié)快慢程度一致，進(jìn)而致密化速率以及晶粒長(zhǎng)大速率基本一致，因此可以達(dá)到完全致密化，燒結(jié)組織一般較致密，燒結(jié)后的密度已接近理論密度。顆粒大小不均勻（稀土La的加入易使鉬粉出現(xiàn)這種情況［4］）的鉬粉，因鉬粉大小顆粒的表面活性的差異，導(dǎo)致燒結(jié)不同步而影響其燒結(jié)性能，進(jìn)而其燒結(jié)組織孔隙較多，燒結(jié)密度低［5］。單顆粒多而小部分呈現(xiàn)細(xì)顆粒的“硬團(tuán)聚體”的5#鉬粉，因?yàn)橛矆F(tuán)聚體的出現(xiàn)，使得團(tuán)聚體之間和團(tuán)聚體與周?chē)渌f粉之間燒結(jié)出現(xiàn)燒結(jié)不同步［6］，使燒結(jié)氣孔大小及分布不均勻，而導(dǎo)致最終燒結(jié)體內(nèi)的殘余孔隙較多，密度較低。

表2 鉬粉形貌對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

2.4 不同燒結(jié)溫度對(duì)Mo-La合金棒燒結(jié)密度的影響

為探索不同燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)密度和組織的影響，選取顆粒大小均勻2#鉬粉和顆粒大小不均勻的4#鉬粉在1 700℃、1 900℃、1 960℃3個(gè)不同溫度下燒結(jié)6h，燒結(jié)密度見(jiàn)圖5，燒結(jié)棒斷口組織見(jiàn)圖6。

圖5 2#和4#Mo-La合金棒在不同燒結(jié)溫度下的相對(duì)密度

圖6 2#和4#Mo-La合金棒在不同燒結(jié)溫度下的斷口形貌SEM

圖5和圖6分別是2#和4#Mo-La合金棒在不同燒結(jié)溫度下的相對(duì)密度和斷口形貌。從圖5知：不同的高溫?zé)Y(jié)時(shí)，隨著溫度的升高，2#和4#燒結(jié)棒的密度都在逐漸增加，但是不同燒結(jié)棒的相對(duì)密度增加的幅度不同。結(jié)合圖6分析：燒結(jié)溫度為1 700℃時(shí)，2#燒結(jié)棒的燒結(jié)相對(duì)密度已達(dá)到97.05％，已基本致密化。晶粒細(xì)小、均勻（見(jiàn)圖6a）、氣孔較少且分布在晶粒的交界處，說(shuō)明氣孔已基本完成閉合、球化、收縮。而4#Mo-La合金棒的相對(duì)密度僅為93.8％，基本為較均勻的小晶粒組織，存在個(gè)別大晶粒，氣孔較多，有些是通孔，說(shuō)明在此溫度下，4#燒結(jié)棒的部分氣孔未完成收縮。燒結(jié)溫度提高到1 900℃燒結(jié)時(shí)，2#燒結(jié)棒密度比1 700℃時(shí)的密度增加了2％，而4#燒結(jié)棒密度增加1.5％，斷口組織表明：2#微觀組織均勻，晶粒長(zhǎng)大，部分氣孔縮小并通過(guò)晶界已消失，個(gè)別氣孔存在于晶界處。而4#微觀組織不均勻，小晶粒區(qū)晶粒大小相對(duì)均勻，氣孔較少而大晶粒區(qū)部分氣孔已被包裹在晶粒內(nèi)部。再提高燒結(jié)溫度到1 960℃時(shí)，2#燒結(jié)棒密度增加了0.5％，已接近理論密度。晶粒組織均勻，幾乎沒(méi)有氣孔，已達(dá)到完全致密化，最終孔隙率只有0.5％。而4#燒結(jié)棒密度增加了0.1％，僅為95.4％。斷口呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則大晶，晶粒內(nèi)部氣孔仍然較多。

隨著燒結(jié)溫度的提高，2#和4#鉬粉其燒結(jié)棒的密度和組織出現(xiàn)了不同的情況，說(shuō)明鉬粉顆粒大小的均勻性對(duì)其燒結(jié)的影響很大。顆粒大小均勻的2#鉬粉，燒結(jié)時(shí)氣孔利用晶界作為空位傳遞的快速通道而匯集消失，且隨著晶界的平直化而致密化，因此，2#燒結(jié)棒的密度很高。而顆粒大小不均勻的4#鉬粉，燒結(jié)過(guò)程出現(xiàn)較多的大晶粒，且氣孔被包裹在大晶粒內(nèi)，即使提高溫度，這種晶內(nèi)氣孔也沒(méi)被排除，致使4#棒的燒結(jié)密度不高。因此，盡量選擇顆粒大小較均勻的鉬粉，合適的燒結(jié)溫度，使氣孔保留在晶界上并可利用晶界的快速通道排除，使坯體致密。

3 結(jié)論

筆者通過(guò)研究鉬粉的費(fèi)氏粒度、粒度分布、顆粒大小的均勻性以及燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)密度及燒結(jié)過(guò)程的影響得出如下結(jié)論：

（1）隨著鉬粉費(fèi)氏粒度的增大，經(jīng)1 900℃燒結(jié)，Mo-La合金棒的燒結(jié)密度逐漸減小。

（2）不同粒度組成的鉬粉，經(jīng)1 900℃燒結(jié)，其燒結(jié)棒密度相差很大，粒度曲線向左偏移的鉬粉Mo-La合金棒的燒結(jié)密度高。

（3）顆粒大小均勻的鉬粉，經(jīng)1 900℃燒結(jié)其燒結(jié)棒密度高，接近理論密度；顆粒大小相差較大的鉬粉，Mo-La合金棒的相對(duì)密度不到95％。

（4）顆粒大小均勻的2#鉬粉1 900℃組織均勻，氣孔很少。1 960℃燒結(jié)完全致密化，已接近理論密度。顆粒大小不均勻的4#鉬粉，1 900℃晶粒組織不均勻，小晶粒周?chē)鷼饪紫?，大晶粒?nèi)部包裹了氣孔，1 960℃時(shí)仍然有較多的氣孔被包裹在無(wú)規(guī)則的大晶粒內(nèi)部，相對(duì)密度只有95.4％。

（5）選擇顆粒大小均勻的鉬粉、合適的燒結(jié)溫度，使氣孔保留在晶界上并利用晶界的快速通道排除，使坯體致密。

［1］楊宇峰.鉬在電光源行業(yè)的應(yīng)用及熱點(diǎn)技術(shù)［J］.中國(guó)鉬業(yè)，2004，28（5）：11-14.

［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］任 茹.稀土鑭在La-Mo合金粉中的存在形式及對(duì)鉬粉性能的影響［J］.中國(guó)鎢業(yè)，2010，25（3）：35-37.

［4］韓鳳麟.粉末冶金基礎(chǔ)教程—基本原理與應(yīng)用［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，2005：181.

［5］張小立，李應(yīng)泉，殷為宏.粉末搭配對(duì)鎢燒結(jié)坯密度及微觀組織的影響［J］.稀有金屬材料與工程，1996，25（1）：33-36.

［6］李金有，蔡 舒，葛志平，等.噴霧造粒粉末ZrO2（Y2O3）燒結(jié)行為的研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2004，27（1）：16-19.