大單重寬幅鎢鉬板的開坯熱軋制生產(chǎn)技術(shù)

李 峰 張偉亮

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司重型機械設(shè)計研究院，四川 618000)

近年來，隨著核工業(yè)、航空航天、電子工業(yè)及現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)如火箭鼻錐、核電高溫隔熱屏、數(shù)控加工、印刷電路板刀具等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Υ髥沃馗叨随u鉬產(chǎn)品需求量將大幅增長，鎢鉬板材年消費量將達到5000t。宏觀政策上，國家為了充分發(fā)揮我國稀有金屬資源優(yōu)勢，提高產(chǎn)業(yè)競爭力，根據(jù)《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十二個五年規(guī)劃綱要》和《國務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》，工信部發(fā)布了《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》?！笆濉卑l(fā)展規(guī)劃指出:“充分發(fā)揮我國稀有金屬資源優(yōu)勢，提高產(chǎn)業(yè)競爭力。積極發(fā)展高純稀有金屬及靶材，大單重鉬電極、高品質(zhì)鉬絲、高精度窄鎢帶、鎢鉬大型板材和制件、高純錸及合金制品等高技術(shù)含量深加工材料”。

市場的需求和宏觀政策的引導(dǎo)使得國內(nèi)眾多的有色金屬制備加工企業(yè)將視野投向附加值更高的大單重寬幅鎢鉬板的開發(fā)和生產(chǎn)上，以期能在此輪經(jīng)濟調(diào)整中實現(xiàn)技術(shù)和產(chǎn)品的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，提升企業(yè)的生產(chǎn)和競爭能力。

1 大單重寬幅鎢鉬板的特征

大單重寬幅鎢鉬板一般是指成品板單重100 kg～800 kg(最重可達到1 000 kg)以上，寬度＞1 000 mm 的鎢鉬板。其作用主要體現(xiàn)在軍用和民用兩個方面，除國防建設(shè)用以外，發(fā)電、計算機電路、微電子技術(shù)、固體照明、平面顯示器方面均有廣泛應(yīng)用。近年來，純鉬板越來越多地被應(yīng)用于制造金屬濺射靶材。

鎢鉬及其合金是發(fā)展現(xiàn)代科技不可缺少的重要材料之一，在當(dāng)前社會發(fā)展和科技進步中發(fā)揮了重要作用。隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，對鎢鉬及其合金板材的產(chǎn)品質(zhì)量和性能提出了更高的要求，不僅要求鎢鉬板具有很高的致密度、足夠的強度、良好的塑性，并且板材各向異性要小、內(nèi)部組織均勻，同時還要嚴(yán)格控制板材的晶粒度、織構(gòu)、結(jié)晶取向以及夾雜物等。

2 國內(nèi)鎢鉬板軋制生產(chǎn)現(xiàn)狀

我國的稀有難熔金屬因起步較晚，整體軋制技術(shù)無論從工藝技術(shù)水平和設(shè)備能力以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面與世界先進國家相比仍有一定差距。主要體現(xiàn)在以下幾個方面:軋制設(shè)備多為二輥軋機，軋機剛性差，軋件的咬入多采用人工喂料，操作工人勞動強度大，生產(chǎn)環(huán)境惡劣;軋制的產(chǎn)品單重小，規(guī)格窄，技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)較低;自動化程度低，控制主要以人工模式為主。自2007 年以來，我國的鎢鉬生產(chǎn)企業(yè)紛紛加大了對大單重鎢鉬板材的軋制研究，總體而言，取得了一定進展。然而，我國難熔金屬及其合金板材軋制生產(chǎn)與鋼鐵軋制及鋁合金、銅合金等其它有色金屬軋制生產(chǎn)相比，起步較晚、軋制技術(shù)滯后、生產(chǎn)規(guī)模不大。并且，由于稀有難熔金屬的物理、化學(xué)、力學(xué)特性，使其軋制加工較鋁、銅、鋅、鈦等有色金屬困難、軋制工藝更為復(fù)雜，相較世界先進國家而言，我國的難熔金屬軋制尤其是大單重寬幅鎢鉬板材軋制工藝尚處于摸索階段。

目前國內(nèi)現(xiàn)有的鎢鉬板軋制設(shè)備情況見表1。

表1 國內(nèi)設(shè)備情況Table 1 Equipments status at home

3 大單重寬幅鎢鉬板的原料制備技術(shù)

致密難熔金屬鎢、鉬的熔煉方式一般有3 種:粉末冶金法、電子束熔煉、真空電弧熔煉。從制備過程來講，后兩種方法有熔化過程，而粉末冶金法沒有熔煉過程。隨著熔煉技術(shù)的發(fā)展，采用電子束熔煉技術(shù)可以制備純度比較高、塑性比較好的優(yōu)質(zhì)鎢鉬坯料，特別是電子束局域熔煉技術(shù)為制備鎢鉬的單晶開辟了一個新的天地。但是，熔煉法有其一些自身無法克服的缺點，比如晶粒比較粗大，對材料的進一步的塑性加工帶來很大的困難。而粉末冶金方法的優(yōu)點表現(xiàn)為:坯料組織均勻，晶粒細小，有利于材料的進一步加工，并且其金屬損耗小，成品率較高，投資小，見效快，生產(chǎn)具有很大的靈活性，可直接生產(chǎn)出成品和符合一定尺寸要求的冷軋坯料。

鎢鉬等稀有難熔金屬錠坯的一般制備工藝為:混粉、壓制成形、燒結(jié)。成形方式一般有鋼模冷壓和等靜壓制兩種，目前國內(nèi)普遍采用冷等靜壓制，這種方式的優(yōu)點是可以生產(chǎn)大單重錠坯，壓坯密度均勻，無分層現(xiàn)象，便于操作，而且成本較低。

鎢鉬等稀有難熔金屬的燒結(jié)設(shè)備是錠坯制備的關(guān)鍵設(shè)備。其目的是徹底去除鎢鉬坯中的雜質(zhì)，實現(xiàn)粉末體的合金化和致密化，提高坯料的相對密度，改善熱加工塑性。燒結(jié)設(shè)備按其加熱方式不同可分為垂熔爐、中頻爐、鎢絲網(wǎng)爐3 種。垂熔爐適合于小規(guī)格純鎢鉬錠坯的燒結(jié)，其錠坯重量一般為6 kg～15 kg;中頻爐可以燒結(jié)大單重鎢鉬及其合金錠坯，燒結(jié)效率高;鎢絲網(wǎng)爐爐溫可達2 600℃，其均溫性好，有利于50 kg 以下錠坯的燒結(jié)。這三種燒結(jié)爐型式在國內(nèi)都有采用，但由于中頻爐國內(nèi)目前已經(jīng)規(guī)?；a(chǎn)，故應(yīng)用較多。燒結(jié)爐型式及特點見表2。

表2 燒結(jié)爐型式及特點Table 2 Forms and features of sintering furnace

4 錠坯加熱

致密難熔金屬鎢、鉬在常溫下比較穩(wěn)定，一般不發(fā)生氧化，但在加熱至400℃開始氧化，隨著溫度升高迅速氧化，分別在850℃和650℃左右顯著升華;但鎢、鉬的化合物在一定溫度下與氫氣作用，可被還原成金屬。故而，鎢、鉬及其合金錠坯的加熱通常采用氫氣作為保護氣體，在保護氣氛中進行。無相變的鎢鉬及其合金由于熔點高，變形抗力大，塑性范圍窄，所以加熱溫度不宜過低。根據(jù)材料高溫抗拉性能曲線，鎢鉬粉末燒結(jié)錠坯的強度隨溫度升高明顯下降，但塑性指標(biāo)變化緩慢;鎢錠坯加熱溫度超過1 400℃、鉬錠坯加熱溫度超過1 300℃時，其塑性才明顯提高。但也必須防止加熱溫度過高而造成晶粒長大和嚴(yán)重氧化的問題。

5 大單重寬幅鎢鉬板的軋制過程

致密難熔金屬鎢鉬的軋制過程與黑色金屬和普通有色金屬相比，主要在于大單重寬幅鎢鉬板的軋制一般需經(jīng)過開坯熱軋、溫軋和冷軋過程最終獲得成品。致密難熔金屬的一個顯著特點是:高于再結(jié)晶溫度加工，不僅不會使材料的塑性提高，反而使材料脆化，同時導(dǎo)致塑-脆轉(zhuǎn)變溫度DBTT 上升。熱軋開坯后的坯料，塑性得到改善，軋制溫度可以逐漸降低，即可進行溫軋，隨后進行冷軋即可得到性能良好的成品。這是因為，在溫軋過程中，會發(fā)生回復(fù)過程，部分點缺陷消失，通過位錯滑移，產(chǎn)生多邊化，減少晶格畸變，增加塑性。鎢、鉬軋制的不同在于由于鉬材存在更高的DBTT，故而，鉬板材的冷軋也要略微加熱。

6 大單重寬幅鎢鉬板開坯熱軋制的典型工藝

由于稀有致密難熔金屬鎢鉬特有的物理、化學(xué)、力學(xué)特性，其開坯熱軋制工藝與鋼鐵軋制和普通有色金屬軋制工藝相比，有其鮮明的特點，主要體現(xiàn)在三方面。

6.1 采用一火三道次軋制工藝

致密難熔金屬的主要特點是高溫強度高，粉末冶金鎢鉬錠坯的變形抗力大，塑性范圍窄，對溫度的變化十分敏感，必須在合適的溫度范圍內(nèi)軋制，才能保證材料有較好的塑性和較低的變形抗力。開坯軋制總變形率的獲得往往需經(jīng)多火道次軋制才能完成。

6.2 采用大變形軋制

鎢鉬開坯軋制后的組織對成品性能有顯著影響，這是由于如果開坯軋制首道次變形率小，往往造成軋材張嘴和分層。這是由于軋制壓力不足以將鎢鉬坯料壓合到原子引力的范圍內(nèi)，晶粒間只是由微弱的塑性變形而相互機械嚙合，此時晶粒間仍存在較大間隙，晶粒結(jié)合強度不夠，軋材頭部有張嘴開裂的趨向。隨著變形增加，較大的軋制壓力使得坯料內(nèi)部有更多的原子達到金屬鍵的引力范圍內(nèi)，從而使晶粒間的結(jié)合強度得到顯著提高，晶粒界面結(jié)合比較致密。故而開坯熱軋需采用大壓下軋制，其中首道次變形量應(yīng)達到35%～40%，二、三道次變形量應(yīng)達到25%～35%。但壓下量又不宜過大，因為此時晶粒間的結(jié)合強度已經(jīng)很高，增加壓下量不會使強度增加多少，反而導(dǎo)致鎢鉬板材的邊裂傾向加劇，變形產(chǎn)生的缺陷增加，同時造成設(shè)備負荷過重，能耗增加。

6.3 采用轉(zhuǎn)料軋制工藝

隨著高新技術(shù)的飛速發(fā)展，高科技對鎢鉬板材性能提出的要求在很多方面超出傳統(tǒng)性能指標(biāo)，比如對深沖性能的要求、對冷彎性能的要求等。由于鎢鉬板材的力學(xué)性能由其最終的內(nèi)部組織所決定，故而需采用轉(zhuǎn)料軋制來改善材料的內(nèi)部組織分布。轉(zhuǎn)料軋制與單向軋制(一般沿坯料長度方向)后板材的平均晶粒度雖然相差不大，但采用轉(zhuǎn)料軋制后材料組織更具有均勻性和等軸性。單向軋制時，鎢鉬內(nèi)部產(chǎn)生帶狀晶胞組成，造成板材明顯的各向異性;而轉(zhuǎn)料軋制對板材縱、橫兩個方向均進行軋制，加強了內(nèi)部組織的均勻性和等軸化作用，有效地減輕材料的各向異性，提高其深沖性能，同時可有效降低鎢鉬及其合金的塑-脆轉(zhuǎn)變溫度。

7 大單重寬幅鎢鉬板開坯熱軋制設(shè)備配置

由于鎢鉬等稀有難熔金屬特有的屬性，如變形溫度高、變形抗力大、高溫氧化嚴(yán)重、低溫脆性加劇、軋制過程中溫降快等一系列特性，對軋制設(shè)備提出了更高的要求。

7.1 配置大軋制力、高剛性的四輥可逆式水平熱軋機

開坯熱軋是大單重寬幅鎢鉬板生產(chǎn)的第一道工序，在這個過程中不但要完成材料幾何形狀的改變，還要完成從燒結(jié)態(tài)組織向加工態(tài)組織的轉(zhuǎn)變，從而改善板坯的力學(xué)性能和工藝性能，為后續(xù)的軋制奠定良好的基礎(chǔ)，故而必須采用大變形軋制，而采用此法軋制的前提條件是配置高剛性的軋機。高剛性軋機有利于軋制寬度大及厚度薄的產(chǎn)品，是保證寬幅鎢鉬板成品板形、尺寸精度和表面質(zhì)量的基礎(chǔ)。軋機的剛性主要以軋制壓力、支承輥直徑及機架模數(shù)為標(biāo)志。對于軋制大單重寬幅鎢鉬板材，單位寬度軋制壓力應(yīng)不小于25 kN/mm，單位寬度主電機功率應(yīng)不小于2 kW/mm，單位寬度軋機剛性不小于3。

7.2 采用低速大扭矩的傳動主系統(tǒng)

根據(jù)鎢鉬及其合金板材軋制難變形的特點，傳動系統(tǒng)的選型應(yīng)全面考慮軋制工藝對軋制力矩和軋制速度的要求。軋制速度的不同意味著變形速率的不同，變形抗力隨變形速率的增加存在一臨界變形速率，低于臨界變形速率時變形抗力隨變形速率的增加而增加，高于臨界變形速率時變形抗力則隨變形速率的增加而減小。文獻［1］指出，最佳開坯溫度、平均道次變形率和軋制速度應(yīng)分別控制在1 450～1 500℃、20%～22%和(48～53)m/min。故而將開坯熱軋制速度控制在(48～53)m/min，成品板材的性能可得到保證。同時由于鎢鉬材料高溫變形抗力較大，接觸弧長上的平均單位壓力大，軋機的軋制力和軋制力矩相應(yīng)增大。因此，對于大單重寬幅鎢鉬及其合金板材的開坯軋制應(yīng)選擇具有低速大扭矩的主傳動系統(tǒng)，同時應(yīng)盡可能采用單獨傳動的型式，保證設(shè)備具有動態(tài)調(diào)速的可能，控制板形的翹曲和扣頭。

7.3 設(shè)置厚度控制系統(tǒng)、采用平面形狀控制、設(shè)置厚度檢測元件

鎢、鉬屬于國家戰(zhàn)略性資源，其在地殼中的含量比重偏小，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，鎢含量為0.007%，鉬含量為0.01%，屬于稀有難熔致密金屬。而且終端用戶對鎢鉬成品板材的尺寸精度、板形、表面質(zhì)量等方面要求苛刻。所以，軋制大單重寬幅鎢鉬板材，應(yīng)配置高精度、高速度的軋輥定位系統(tǒng)液壓AGC。其定位系統(tǒng)反應(yīng)速度快，定位精度高，承載能力強，可滿足高剛性大變形的帶負荷輥縫調(diào)整的軋制要求。同時配以計算機在線控制，形成高水平的控制系統(tǒng)，以提高成品的厚度控制精度。還應(yīng)配置高效的板形控制系統(tǒng)，以限制軋制過程中的不均勻變形，減小軋材在長度和寬度方向上的不均勻延伸，降低切頭、切尾、切邊損耗，提高成材率。通過液壓AGC 與板形控制系統(tǒng)和測厚儀的配合，共同完成成品厚度、平面形狀的控制。

7.4 采用軋輥在線預(yù)熱

稀有難熔金屬鎢鉬及其合金熱軋時變形抗力大，軋制溫度高;同時由于鎢鉬及其合金塑性溫度范圍比較窄，隨著軋材溫度下降塑性降低，變形抗力增加，給軋制帶來困難。而工作輥由于同高溫軋件接觸，軋輥表層和芯部熱交換不同容易產(chǎn)生“龜裂”。同時由于軋材表面溫度比內(nèi)部低，軋制時的不均勻變形嚴(yán)重易導(dǎo)致軋材表面裂紋。為防止軋材表面溫降，提高成品率，有效利用軋輥，對軋輥采取預(yù)熱是有益的。另外由于單位軋制壓力大，從軋制薄板材的角度考慮，工作輥直徑受到成品最小厚度的限制，無法太大。此時普通材質(zhì)的軋輥已不能滿足其特殊的軋制要求，應(yīng)使用特種材質(zhì)的工作輥，同時根據(jù)不同的軋制條件，預(yù)熱溫度為100～350℃。

7.5 強力輔助喂料

隨著科技進步，設(shè)備更新，鎢鉬板材軋制設(shè)備向自動控制的高強度、高剛度發(fā)展，但由于材料摩擦系數(shù)小、開坯熱軋變形率大等因素，純粹的輥道輔助喂料已不能滿足軋機的咬入要求;并且隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，軋錠單重增加，采用人工喂料已不能滿足生產(chǎn)的需要。因此，配置一種安全可靠、過程可控、可穩(wěn)定操作的自動喂料并能同時配合軋機實現(xiàn)高品質(zhì)寬幅鎢鉬板軋制的強迫喂料機構(gòu)就顯得尤為重要。這對最大限度的縮短軋制時間、提高生產(chǎn)節(jié)奏、減輕鎢鉬材料的高溫氧化及揮發(fā)、提高產(chǎn)品收得率，同時改善作業(yè)工人的勞動強度有極大的益處。

7.6 配備高效的換輥系統(tǒng)

當(dāng)更換軋制品種、規(guī)格或者軋輥磨損已不能保證產(chǎn)品質(zhì)量時，需要進行停產(chǎn)換輥，這就降低了作業(yè)率。因此，在盡可能減少換輥次數(shù)的同時，應(yīng)力求縮短每次換輥時間。由于稀有難熔金屬板材一般按訂單生產(chǎn)，產(chǎn)品的規(guī)格、品種更迭頻繁，采用快速換輥就顯得尤為重要。加之快速換輥裝置大大減少了人工換輥由于人為因素對換輥速度、換輥質(zhì)量的影響。

7.7 熱軋機前后采用轉(zhuǎn)鋼設(shè)備

生產(chǎn)大單重鎢鉬及其合金板材時，為了改善材料內(nèi)部組織，保證產(chǎn)品質(zhì)量以及改善深沖性能，需要采取換向軋制。在軋機前后設(shè)置轉(zhuǎn)鋼設(shè)備正是為了對坯料進行旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)交叉軋制。轉(zhuǎn)鋼設(shè)備一般有錐形輥道方式和旋轉(zhuǎn)臺方式。不同之處在錐形輥道方式其輥道既可作為運輸設(shè)備，也可進行錠坯回轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)鋼速度快，可有效減少鎢鉬高溫揮發(fā)。

7.8 熱軋區(qū)域排煙收塵

大單重寬幅鎢鉬板開坯熱軋制時由于加熱溫度高，暴露在空氣中易產(chǎn)生嚴(yán)重的氧化和揮發(fā)，排放出大量的三氧化鎢、三氧化鉬濃煙，造成環(huán)境污染、損害操作人員健康，同時造成材料的極大浪費。鎢鉬軋材生產(chǎn)一般在熱軋區(qū)域設(shè)置排煙收塵設(shè)備，進行煙氣回收并經(jīng)相關(guān)處理后重新利用。

7.9 板材校平

鎢鉬等稀有難熔金屬開坯熱軋制時，必須保證首道次壓下量。由于采用大變形軋制，板材易翹曲，嚴(yán)重時無法進入軋機導(dǎo)致軋制過程不能順利進行，故而對于高強度的鎢鉬及其合金板材生產(chǎn)需配置校平機。其目的一是將翹曲的軋件壓平，以便順利導(dǎo)入軋機;二是對熱軋較厚的成品進行壓平處理，以滿足成品的平直度要求。校平機可采取離線布置，亦可在線布置。

7.10 在線熱矯直、熱剪切

開坯熱軋制后的鎢鉬及其合金板材，為了消除內(nèi)應(yīng)力，提高其平直度以滿足客戶需求，一般需在高溫下進行熱矯平消應(yīng)處理?？紤]材料的高溫屈服特性，應(yīng)配以強力熱矯直機。對于板形不良的板材或者有局部缺陷的部位，還應(yīng)配置熱剪切機進行剪切處理，同時熱剪機還可對較長尺寸的板材進行在線分段，以滿足軋機要求。

8 結(jié)語

(1)大單重寬幅鎢鉬及其合金板材的生產(chǎn)是一個高能耗的過程，其中開坯熱軋制又是一個對質(zhì)量要求高，難度大的系統(tǒng)工程。

(2)大單重寬幅鎢鉬及其合金板材的開坯熱軋對設(shè)備提出了更高的要求。其中主要應(yīng)以軋輥材質(zhì)的選擇及研究、整個熱軋區(qū)域的排煙吸塵為主攻方向。解決長期制約大單重寬幅鎢鉬板材生產(chǎn)的熱軋輥問題。

(3)積極采用先進適用的技術(shù)，加快技術(shù)改造，提高工業(yè)裝備水平，開發(fā)節(jié)能高效的軋制工藝、實現(xiàn)連續(xù)自動化、信息化生產(chǎn)，對于寬幅鎢鉬板生產(chǎn)顯得尤為重要。

［1］楊松濤，李繼文，等.大單重純鉬板熱軋工藝研究［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2010，38(4).