直徑90 mm純鉬棒的均勻性研究

師阿維，葛寬余，王 崗

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西 西安 710177）

0 引 言

由于鉬及鉬合金具有熔點高、高溫強(qiáng)度和剛度大、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能好、抗熱震性能、抗磨損性能和在許多介質(zhì)中抗腐蝕性能強(qiáng)等特性，其在電子、冶金、輕工、機(jī)械、金屬加工、化工、農(nóng)業(yè)、石油、航空航天工業(yè)和核工業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。例如在高溫元件方面最新研制出的核燃料燒結(jié)爐采用鉬網(wǎng)加熱，用?0.8 mm鉬絲編織成三相網(wǎng)狀加熱器，工作溫度可達(dá)1800～2000℃。在汽車工業(yè)中，鉬是汽車部件生產(chǎn)中主要的熱噴涂材料。汽車部件一般采用鉬絲高速火焰噴涂，噴槍的氣體混合噴射裝置產(chǎn)生高溫燃?xì)馊紵?，特殊設(shè)計的燃燒室和氣體噴射混合室，使鉬絲在完全熔化前，以極高的速度噴涂在工件的表面上，噴射鉬的致密度可達(dá)99%以上，結(jié)合強(qiáng)度接近10 kg/mm2。據(jù)資料[4]介紹噴涂鉬絲歐洲市場年銷售量可達(dá)1000 t，美國每年消耗量也達(dá)600 t左右，日本每年也消耗鉬絲30～40 t，我國噴涂鉬絲市場容量尚小于每年30 t。但隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車齒輪和其他部件的熱噴涂將有較大發(fā)展，噴涂鉬絲的銷售量將大幅度增長。

近年來，鉬棒材越來越多地作為線切割工具鉬絲的原料。原料性能的優(yōu)劣對后續(xù)產(chǎn)品的加工有非常重要的影響[5]。例如，在純鉬棒粗坯不均勻時，在拉絲過程中會出現(xiàn)拉絲劈裂現(xiàn)象、在精鍛時會出現(xiàn)內(nèi)裂紋以及毛刺等現(xiàn)象。所以，鉬棒材的均勻性是其質(zhì)量優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。

1 鉬棒均勻性的檢測方法

1.1 物理方法

物理方法是從宏觀上判斷棒、板材的均勻性，檢測金屬板材、棒材均勻性的物理方法有多種，如硬度檢測、金相分析、超聲波檢測和密度檢測等。

當(dāng)板材、棒材不同的檢測部位硬度值或密度值出現(xiàn)較大的偏差，即可以判定該棒材或板材是不均勻的；用金相顯微鏡分析法可以直接觀測到金屬內(nèi)部是否有微裂紋或坑洞，從而判定該棒材是否存在缺陷；而超聲波檢測出現(xiàn)異常波時，可以初步判定被檢測的棒材是沒有缺陷的。

棒材均勻性檢測的常規(guī)方法是探傷檢測，也就是超聲波單一檢測，這種檢測方法是縱向檢測，即從棒頭至棒尾選取幾個部位進(jìn)行探傷檢測，由于檢測樣本小，結(jié)果不能反映檢測對象全貌。

1.2 化學(xué)分析法

化學(xué)分析法是通過檢測幾個重要的化學(xué)元素值的分布來判斷棒材的均勻性。對?90 mm純鉬棒而言，在實際生產(chǎn)中主要考慮C、O、K和Fe元素含量，這4個元素對純鉬棒來說都屬于雜質(zhì)元素，直接影響棒材的質(zhì)量。同時生產(chǎn)實踐證明，其余元素從原料粉到棒材是不會發(fā)生變化的。如果這些元素在整根棒材中的含量分布不均勻，則在后續(xù)加工過程中會降低棒材的加工塑性，易脆斷；另外，如果C、O含量超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，作為濺射靶材使用時會使其在玻璃基體上得以釋放，形成氣孔。

C、O、Fe、K含量如果分布不均勻，一方面表示在生產(chǎn)過程中有雜質(zhì)帶入；另一方面可能是燒結(jié)工藝不合理，需要重新調(diào)整工藝。

判定棒材均勻性可靠的方法是對棒材的芯部和邊部均勻取樣，形成橫向、縱向的檢測樣本，再同時使用物理方法和化學(xué)元素檢測法，獲得棒材的橫向、縱向檢測數(shù)據(jù)，以判定其各項均勻性，并得出分布規(guī)律。

2 實驗方法及原料

2.1 實驗原料

在常規(guī)壓制及燒結(jié)工藝生產(chǎn)一批長800 mm的?90 mm純棒中隨機(jī)選取一根作為試樣。該棒材原料粉的C含量為0.004%、O含量為0.0045%、K含量為0.004%、Fe含量為0.0045%。

將試樣頭尾兩端各去除100 mm，此時試樣全長為600 mm。將剩余試樣從頭部（靠近中頻爐爐底地是底部）依次水平切割成厚20 mm的鉬圓片30片，并由上而下進(jìn)行編號。為了更加準(zhǔn)確的檢測并比較棒的邊部和芯部的參數(shù)，將每片鉬圓片按“井”字形等分成9份，取出中間的1塊為棒芯部試樣，剩余部分則任意取1塊為棒邊部的試樣，這樣共得到棒邊部和棒芯部的待檢測樣品各30塊。

2.2 檢測設(shè)備及方法

采用LEICA MEF4M金相顯微鏡進(jìn)行金相檢測，具體操作為將做好的小樣在磨樣機(jī)磨光，在電解拋光機(jī)進(jìn)行電解拋光，用硝酸和酒精按照1∶1的比例進(jìn)行腐蝕后，清洗干凈、吹干后進(jìn)行金相檢測；用采用型號HR-150A的洛式硬度計測試硬度，采用排水法（阿基米德原理）檢測密度，采用化學(xué)分析和光譜分析法檢測C、O、K和Fe含量。

3 結(jié)果與分析

經(jīng)過檢測邊部與芯部C、O、K和Fe含量的對比分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示。由圖可見，樣品C、O、K、Fe的含量較原料粉均有所減少。而且從圖1、圖2可以看出C含量和O含量分布均勻，均達(dá)到了合格品對C含量和O含量的要求。這是因為C和O在原料粉還原時已經(jīng)通過氧化還原除去了大部分，中頻爐燒結(jié)過程是在通氫的氣氛中進(jìn)行的，在純鉬棒低溫?zé)Y(jié)階段棒材中的氧會再次通過氧化還原除去一部分，在高溫階段O則沒有大的變化；而C會在高溫階段揮發(fā)一部分，由于?90 mm純鉬棒的燒結(jié)溫度高達(dá)1880℃，所以，不管是純鉬棒的邊部還是芯部對C的揮發(fā)而言都是等同的。從圖1～圖4可以看出棒材的底部C、Fe、K均勻性要優(yōu)于頂部。

圖1 棒材C含量檢測結(jié)果

圖2 棒材O含量檢測結(jié)果

圖3 棒材K含量檢測結(jié)果

圖4 棒材Fe含量檢測結(jié)果

數(shù)據(jù)方差可以描述各個數(shù)據(jù)偏離平均值的多少，從而說明數(shù)據(jù)的均勻性。為進(jìn)行棒材芯部和邊部雜質(zhì)含量均勻性的橫向比較，分別計算了樣品C，O，F(xiàn)e，K含量的方差和平均值，結(jié)果見表1。

表1 樣本雜質(zhì)元素的偏差分析

由表1可見，芯部的雜質(zhì)含量的平均值高于邊部，這可能是中頻爐的渦流加熱的趨膚效應(yīng)使鉬棒中心受熱及冷卻延遲于邊部，冷卻時棒材邊沿溫度低于中心，導(dǎo)致C、O、K和Fe會向中心位置擴(kuò)散遷移。從方差計算可見，棒材中C、O、K和Fe含量的均勻性邊部優(yōu)于芯部。

C、O、K和Fe在棒材中作為雜質(zhì)難以完全去除，只有在低溫氧化還原階段會去除一部分，這是由于作為生產(chǎn)棒材的原料鉬粉在還原過程中，受氫氣露點、純度、爐管材質(zhì)和料舟材質(zhì)的影響，這些雜質(zhì)會存在于鉬粉中。適量的雜質(zhì)往往有益于純鉬棒的后續(xù)加工，實踐證明：當(dāng)O含量≤30×10-6mg/kg、燒結(jié)密度達(dá)到相對理論密度的90%以上、晶粒數(shù)在1500～3000 個/mm2、硬度 HRA≤52 時，棒坯的綜合加工性能良好。

硬度、密度的對比如圖5、圖6所示。由圖可見，邊部的硬度和密度均高于芯部。主要原因是：（1）在壓制過程中，等靜壓的壓制是從外部延伸到內(nèi)部的，勢必導(dǎo)致邊部的致密性要高于芯部；（2）由于邊部的致密性要高于芯部，在中頻爐加熱時，邊部要比中間容易燒結(jié)，邊部晶粒的生長速度要高于棒芯部。（3）由于中頻加熱固有的特性，棒坯表面集膚效應(yīng)導(dǎo)致棒坯表面層優(yōu)先致密，孔隙逸出被阻隔，減緩了內(nèi)部致密化的進(jìn)程。也就是說，由于中頻爐的加熱方式?jīng)Q定了棒的邊沿部位受熱時間長，而且燒結(jié)充分。所以，整根純鉬棒的硬度和密度才會出現(xiàn)邊部高于芯部。當(dāng)密度較低時，棒坯硬度隨密度的增加而增大的幅度較大；當(dāng)密度較大時，棒坯硬度隨密度的增加而增大的幅度較小，直至趨于某一穩(wěn)定的值[6-7]。晶粒數(shù)的對比如圖7所示。

圖5 棒芯部與邊部的硬度對比圖

圖6 棒芯部與邊部的密度對比圖

圖7 芯部與邊部的晶粒數(shù)

從圖7可以看出，整根純鉬棒邊部與芯部的晶粒數(shù)基本是一致的，都是2000，只有靠近中頻爐底部的純鉬棒邊部的晶粒數(shù)是1500，共有3個點。這是由于?90 mm純鉬棒高度達(dá)800 mm，純鉬棒底部邊部受熱時間長于芯部，隨著加熱時間的延長，晶粒會不斷長大，所以邊部的晶粒會大于芯部。

4 結(jié) 語

（1）應(yīng)用該檢測方法可以分析比較?90純鉬棒材橫向、縱向的密度、硬度和雜質(zhì)含量的均勻性。

（2）由于純鉬棒的具有一定的高度，各個部位受熱時間長短不同導(dǎo)致晶粒長大的速度不一致，純鉬棒邊部的硬度和密度稍高于芯部，靠近中頻爐底部的棒邊部的晶粒大于芯部。

（3）數(shù)據(jù)表明，棒材雜質(zhì)含量芯部的平均值高于邊部，由雜質(zhì)含量的方差計算表明，其邊部的均勻性優(yōu)于芯部。

（4）在以后的生產(chǎn)中，通過實驗不斷探索更加適合生產(chǎn)該產(chǎn)品燒結(jié)工藝，減少由于中頻爐自身加熱方式給棒材燒結(jié)均勻性帶來的影響，提高該產(chǎn)品均勻性，給后續(xù)的絲材加工提供穩(wěn)定的原料。

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