不同燒結(jié)方式的鉬板坯性能比較分析

張常樂

（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

燒結(jié)就是將粉末壓坯加熱到一定溫度（燒結(jié)溫度）并保持一定的時(shí)間（保溫時(shí)間），然后冷卻下來(lái)，從而得到所需性能的材料，這種熱處理工藝叫做燒結(jié)。

對(duì)于現(xiàn)在的粉末冶金產(chǎn)品的燒結(jié)主要分為中頻燒結(jié)、真空燒結(jié)和目前的新技術(shù)微波燒結(jié)。

中頻感應(yīng)燒結(jié)是一種將工頻50 Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹蓄l（300～10 000 Hz）的電源裝置，配上感應(yīng)圈及補(bǔ)償電容器，應(yīng)用電磁感應(yīng)原理的加熱設(shè)備，廣泛用于金屬行業(yè)的熔煉、加熱。爐溫高達(dá)2 200℃，可完全滿足各種材料的燒結(jié)。

真空燒結(jié)爐是在真空氣氛中對(duì)被加熱物品進(jìn)行保護(hù)性燒結(jié)的爐子，其加熱方式比較多，如電阻加熱、感應(yīng)加熱等。真空感應(yīng)爐是利用感應(yīng)加熱對(duì)被加熱物品進(jìn)行保護(hù)性燒結(jié)的爐子，真空感應(yīng)鎢燒結(jié)爐是在抽真空后充氫氣保護(hù)狀態(tài)下，利用中頻感應(yīng)加熱的原理，使處于線圈內(nèi)的鎢坩堝產(chǎn)生高溫，通過熱輻射傳導(dǎo)到工件上，適用于科研、軍工單位對(duì)難熔合金如鎢、鉬及其合金的粉末成型燒結(jié)。電阻式的真空加熱爐，對(duì)被加熱物體抽真空后，采用石墨、陶瓷或鎢鉬材料作為發(fā)熱體進(jìn)行加熱，通過熱輻射傳導(dǎo)到需要燒結(jié)的工件上，加熱溫度可達(dá)到2 200℃左右。

微波是波長(zhǎng)為1.0～0.001 m，頻率為300 MHz～300 GHz的電磁波。微波是能量傳輸?shù)妮d體，處于微波場(chǎng)中的材料與微波耦合，吸收微波能量轉(zhuǎn)化為熱能，其自身加熱的現(xiàn)象稱為微波加熱。微波高溫技術(shù)是指微波加熱溫度大于400℃，由材料本身的微波特性和熱動(dòng)力性能決定的加熱過程，排除了水和其他溶劑的影響。微波高溫技術(shù)的處理對(duì)象主要是材料本身，要求具有精確的控制要求、復(fù)雜的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及高穩(wěn)定的微波功率輸出。微波加熱升溫速度塊，加熱周期大幅度縮短，可大量節(jié)約電能40％～80％。微波能的應(yīng)用主要是快速加熱、顯著節(jié)能；可使材料致密化及細(xì)化晶粒；具有降低反應(yīng)溫度及選擇性加熱；誘導(dǎo)或強(qiáng)化催化及安全潔凈舒適的作用；應(yīng)用前景非常良好。

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的方案，我方采用金鉬股份金屬分公司模壓純鉬精板坯，在長(zhǎng)沙隆態(tài)微波熱工有限公司和湖南頂立科技有限公司分別進(jìn)行了微波燒結(jié)、石墨坩堝真空中頻燒結(jié)、鎢坩堝通氫中頻燒結(jié)等3種燒結(jié)試驗(yàn)，并對(duì)燒結(jié)試樣進(jìn)行了物理、化學(xué)、力學(xué)性能和內(nèi)部組織等全面檢測(cè)，比較分析了3種燒結(jié)方式的鉬精板的質(zhì)量指標(biāo)。

2 所制定的燒結(jié)工藝

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求及時(shí)間的關(guān)系，我們主要進(jìn)行了試樣在高溫時(shí)的燒結(jié)，最終的燒結(jié)溫度決定制品的性能，低溫時(shí)的曲線工藝暫時(shí)未考慮。根據(jù)平時(shí)的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，選定石墨坩堝真空中頻燒結(jié)和鎢坩堝通氫中頻燒結(jié)，爐的最高溫度定為1 950℃；微波燒結(jié)由于保溫材料及微波的特點(diǎn)，最高溫度定為1 600℃。根據(jù)這個(gè)工藝進(jìn)行了如下的實(shí)驗(yàn)。

2.1 微波燒結(jié)工藝

燒結(jié)氣氛：氬90％+氫10％

燒結(jié)工藝：1 600℃×1 h（試樣記為a－1）

1 600℃×2 h（試樣記為a－2）

2.2 石墨坩堝真空中頻燒結(jié)

燒結(jié)工藝：1 950℃×2 h（試樣記為b），加熱體是石墨，爐子的真空度可達(dá)到1×10－2Pa，在真空狀態(tài)下燒結(jié)。

2.3 鎢坩堝通氫中頻燒結(jié)爐

燒結(jié)工藝：1 950℃×2 h（試樣記為c），通入的氣氛為氫氣，在氫氣氣氛下進(jìn)行中頻感應(yīng)燒結(jié)。

3 鉬精板的物理、化學(xué)性能分析

3.1 化學(xué)成分

表1 燒結(jié)板坯的化學(xué)成分 mg/kg

分析表1，可以看出以下幾點(diǎn)：

（1）微波燒結(jié)的除雜效果不夠理想，一是非金屬雜質(zhì)（C、O）含量遠(yuǎn)大于真空燒結(jié)和鎢坩堝氣氛燒結(jié)，且超過企標(biāo)要求，這是燒結(jié)氣氛無(wú)法達(dá)到完全的還原氣氛所致；二是部分金屬雜質(zhì)（Fe、Ca、半金屬Si）含量甚至超過鉬粉的雜質(zhì)含量，說(shuō)明燒結(jié)過程鉬壓坯受到坩堝的污染。

（2）石墨坩堝真空燒結(jié)的大部分化學(xué)成分均符合企標(biāo)要求。Fe含量超標(biāo)是由于石墨坩堝的材質(zhì)導(dǎo)致（石墨坩堝本身材質(zhì)為C，為提高坩堝強(qiáng)度，加入部分鋼砂等金屬元素）。O含量（0.005％）稍大于企標(biāo)上限（0.003％），與燒結(jié)時(shí)間較短，O元素?fù)]發(fā)不充分有關(guān)。

（3）鎢坩堝中頻燒結(jié)保證了良好的還原氣氛，燒結(jié)件的化學(xué)成分優(yōu)于其他兩種燒結(jié)方式。從原理上講，該燒結(jié)工藝與金堆城現(xiàn)有燒結(jié)方式、設(shè)備基本相同，不應(yīng)出現(xiàn)部分元素不合格的問題。本次試驗(yàn)中，C、O、Fe元素不合格可能與試驗(yàn)設(shè)備長(zhǎng)期燒結(jié)W、WC等產(chǎn)品而導(dǎo)致坩堝污染有關(guān)。

3.2 物理性能

3.3 顯微組織

分析這3種燒結(jié)試樣的硬度、密度和顯微組織，可以看出：

（1）微波燒結(jié)板坯密度遠(yuǎn)未達(dá)到企標(biāo)要求，從顯微組織照片可以看出，兩種微波燒結(jié)工藝的板坯均未形成明顯的晶體狀態(tài)，即燒結(jié)行為不夠完全，尚處于發(fā)生了部分燒結(jié)頸的初步燒結(jié)階段。這種現(xiàn)象并不能否定微波燒結(jié)方法的可行性，可能與燒結(jié)溫度較低、燒結(jié)時(shí)間較短等燒結(jié)工藝不當(dāng)有關(guān)，a－2試樣的硬度和密度高于a－1試樣也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

（2）石墨坩堝真空燒結(jié)的試樣密度可達(dá)到企標(biāo)要求。從顯微組織照片看，石墨坩堝真空燒結(jié)試樣的晶粒較細(xì)，晶粒度可達(dá)3級(jí)，燒結(jié)試樣密度較小主要可能是因燒結(jié)時(shí)間較短及燒結(jié)工藝不完善所致。

圖4 鎢坩堝通氫燒結(jié)c試樣組織

（3）鎢坩堝通氫燒結(jié)試樣密度也可達(dá)到企標(biāo)要求，鎢坩堝通氫燒結(jié)的晶粒度可達(dá)4級(jí)。試樣密度基本達(dá)到要求，與我們現(xiàn)行工藝基本一致。

4 結(jié)果與討論

（1）微波燒結(jié)試樣的物理、化學(xué)、顯微組織均不理想，說(shuō)明微波燒結(jié)的氣氛問題是制約其應(yīng)用推廣的瓶頸，同時(shí)需要對(duì)其燒結(jié)工藝進(jìn)行全面的試驗(yàn)研究，解決爐體的氣氛問題后方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。但微波燒結(jié)的確可以大量節(jié)約能源、降低燒結(jié)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)燒結(jié)。

（2）石墨坩堝真空燒結(jié)可達(dá)到預(yù)期的燒結(jié)效果，晶粒細(xì)小，密度適當(dāng)，硬度較小，這種燒結(jié)方式可作為粗制坯料的低成本燒結(jié)方法。元素超標(biāo)問題可通過更換為鎢坩堝的方法來(lái)解決；燒結(jié)氣氛采用真空來(lái)實(shí)現(xiàn)，不用消耗氫氣，以降低燒結(jié)成本，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)試驗(yàn)，工藝穩(wěn)定后也可考慮進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

（3）鎢坩堝通氫中頻燒結(jié)與我們現(xiàn)行燒結(jié)方式基本一致，制品可達(dá)到要求，可進(jìn)行批量化生產(chǎn)。

［1］ 黃培云.粉末冶金原理［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

［2］ 浩宏奇，喬冠軍.粉末冶金原理及材料［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1993.

［3］ 楊宇鋒.鉬和鉬合金深加工技術(shù)進(jìn)展［J］.中國(guó)鉬業(yè)，2001，25（4）：34-37.

［4］ 都業(yè)志，張相一，孫院軍.TZM合金中第二相組織行為分析與控制［J］.稀有金屬材料與工程，2002，31（增2）：115-118.