鉬粉微觀組織對(duì)鉬加工制品性能的影響

楊政偉

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司金屬分公司，陜西 西安 710077)

鉬粉作為鉬絲、鉬板及各種鉬異型件的原料，其微觀組織和物化性能在很大程度上影響著這些鉬加工制品的使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量［1－3］。國內(nèi)鉬粉普遍的微觀組織表現(xiàn)為粒度大小不均勻、團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重、顆粒分散性差、粒度分布較寬等。這些微觀組織的存在會(huì)使得鉬粉經(jīng)后續(xù)壓制燒結(jié)后形成的坯料在組織均勻性和晶粒度上表現(xiàn)得不夠理想，甚至?xí)纬煽锥础⒘鸭y等缺陷，進(jìn)而在后續(xù)的軋制、旋鍛、拉伸等壓力加工過程中出現(xiàn)坯錠分層、起皮、開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響加工制品的產(chǎn)品質(zhì)量和成品率［4－6］。為了進(jìn)一步了解鉬粉微觀組織對(duì)鉬加工制品性能的影響，本文分別選用特制的鉬粉和普通的鉬粉，經(jīng)同樣的工藝加工成鉬絲和鉬板產(chǎn)品，然后通過物化性能的檢測，對(duì)比分析了鉬制品加工中原料鉬粉微觀組織對(duì)其產(chǎn)品性能和質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)選用的原料分別為特制鉬粉(文中記為TM)和普通鉬粉(文中記為PM)，這兩種鉬粉的SEM 照片見圖1，粒度分布見圖2。

可以看出，特制TM 鉬粉的顆粒大小均勻且大多以單顆粒形式存在，無明顯的團(tuán)聚塊出現(xiàn)，顆粒表現(xiàn)出很好的分散性。而相比之下，普通PM 鉬粉的顆粒大小不均勻，大小顆粒交互存在，其中小的鉬粉顆?；疽詧F(tuán)聚體存在，且小顆粒之間出現(xiàn)燒結(jié)頸。低倍數(shù)的SEM 照片顯示出整體的鉬粉顆粒大多以尺寸較大的團(tuán)聚塊形式存在。而從兩種鉬粉的粒度分布上來看，TM 鉬粉的粒度分布明顯要窄于PM鉬粉。

這兩種鉬粉的理化指標(biāo)見表1。

圖1 實(shí)驗(yàn)用兩種鉬粉微觀組織的SEM 照片

圖2 實(shí)驗(yàn)用兩種鉬粉的粒度分布圖

表1 實(shí)驗(yàn)用兩種鉬粉的理化性能指標(biāo)

1.2 加工過程

將TM 鉬粉和PM 鉬粉采用相同的加工工藝分別加工成鉬絲和鉬板產(chǎn)品。

在鉬絲的制備過程中，先將這兩種鉬粉經(jīng)壓制、燒結(jié)成Φ17 mm 鉬棒坯，經(jīng)旋鍛開坯后，經(jīng)拉絲機(jī)拉制成Φ0.18 mm 鉬絲。為了便于表述，TM 和PM 粉制成的鉬絲分別標(biāo)記為TMS 和PMS，鉬板的制備是將兩種不同形貌鉬粉經(jīng)壓制、燒結(jié)成1 kg 鉬板坯，然后將制成的鉬板坯分別單向軋制成0.5 mm 厚鉬板和交叉軋制成0.2 mm 厚鉬片。兩種鉬粉制成的不同板材分別標(biāo)記為TM5 和PM5、TM2 和PM2。

1.3 分析檢測

鉬粉的形貌、鉬棒坯的燒結(jié)組織及鉬絲的斷口形貌通過HITACH S－3400 掃描電鏡觀察，鉬粉的粒度分布利用馬爾文Mastersizer2000 激光粒度分布儀測量，金相組織在光學(xué)顯微鏡下觀察，鉬絲和鉬板的室溫力學(xué)性能在XJ838 金屬材料試驗(yàn)機(jī)上測試，鉬板的高溫力學(xué)性能測試通過Gleeble 熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 鉬絲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 是兩種鉬粉經(jīng)壓制燒結(jié)后制備的鉬棒坯的SEM 照片。

圖3 兩種鉬粉燒結(jié)成的鉬棒坯的SEM 照片

從圖3 可以看出，TM 粉燒結(jié)棒坯組織致密，晶粒大小均勻，晶界結(jié)合緊密;相比之下，PM 粉燒結(jié)的棒坯則晶粒大小相對(duì)不均，晶界上有微裂紋存在，而且存在相對(duì)較多的燒結(jié)孔。

表2 給出了兩種鉬粉加工成Φ0.18 mm 鉬絲的成品率和各加工階段鉬絲的力學(xué)性能?？梢钥闯觯瑑煞N鉬粉加工成Φ0.18 mm 鉬絲后TMS 的的成品率要高于PMS，而且在加工的各階段，TMS 的抗拉強(qiáng)度均高于PMS，延伸率則相對(duì)低于PMS。

表2 鉬絲的成品率和力學(xué)性能

在拉絲過程中，PMS 斷絲現(xiàn)象比較嚴(yán)重，圖4 是PMS 絲的斷口形貌?？梢钥闯?，斷口為脆性斷裂，主要斷裂形式為沿晶斷裂和穿晶斷裂。

圖4 PMS 絲的斷口SEM 照片

2.2 鉬板實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 是燒結(jié)鉬板坯的金相照片。同樣可以看出，TM 粉燒結(jié)板坯晶粒大小相對(duì)均勻，燒結(jié)孔數(shù)量少。而PM 粉燒結(jié)板坯燒結(jié)孔較多，且晶粒大小不均勻。

圖5 燒結(jié)鉬板坯的金相照片

圖6 是兩種鉬粉經(jīng)單向軋制的0.5 mm 厚鉬板不同溫度下的的高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線圖。從圖中可以看出，在同樣的溫度下，TM5 鉬板的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均高于PM5 鉬板，雖然1 000 ℃后隨著溫度的升高二者的強(qiáng)度差值逐漸縮小，但總體來看，TM5 鉬板相比PM5 鉬板具有更好的高溫強(qiáng)度。

圖6 TM5 和PM5 鉬板的高溫屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度曲線圖

表3 給出了兩種鉬粉經(jīng)交叉軋制成0.2 mm 厚鉬板后鉬板的室溫力學(xué)性能。而0.2 mm 厚鉬板之所以采用交叉軋制的方式，目的是為了盡量減少成品鉬板的各項(xiàng)異性，從而提高后續(xù)深拉及沖壓成形的成品率和產(chǎn)品質(zhì)量。

表3 中IPA 表示各向異性值，其計(jì)算公式為:

式中:Imax、Imin及Imid分別表示軋制方向、垂直軋制方向、與軋制方向成45°的方向上的強(qiáng)度值或者斷后伸長率值中的最大值、最小值及中間值。IPA值越大，表示材料的各向異性越明顯。

表3 兩種鉬粉軋制成0.2 mm 鉬板的室溫力學(xué)性能

從表3 中可以看出，經(jīng)過交叉軋制后，PM2 鉬板的表面硬度值小于TM2 鉬板。TM2 鉬板的杯突值高于PM2 鉬板，而且其橫縱向的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及斷后延伸率的差值也小于PM2 鉬板，這三種力學(xué)性能的各項(xiàng)異性IPA 值也都低于PM2 鉬板。這說明相比PM2 鉬板，TM2 鉬板表現(xiàn)出了更好的各向同性，因此更適用于制備拉伸沖壓鉬元件制品。

3 分析與討論

利用TM 鉬粉和PM 鉬粉分別加工成鉬絲和鉬板制品，從加工過程和性能測試結(jié)果來看，相比PM鉬粉，TM 鉬粉制備的鉬絲表現(xiàn)出了較高的成品率和室溫力學(xué)性能，鉬板則具有更為良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的高溫性能以及較好的各向同性性能。究其原因，就在于鉬粉本身的微觀形貌組織的差異。

PM 鉬粉的顆粒大小不均勻，而且小顆粒團(tuán)聚較為嚴(yán)重，較大的顆粒形貌為單顆粒，較小的顆粒形貌為球形，且有小顆粒聚集的緊密型葡萄體顆粒存在。這種鉬粉壓制燒結(jié)成棒坯后，顆粒之間容易形成拱橋效應(yīng)［7］，因此形成的棒坯和板坯的組織不均勻，晶界容易出現(xiàn)裂紋。此外，由于鉬粉顆粒大小的不均勻性以及團(tuán)聚顆粒的存在，在后續(xù)的燒結(jié)過程中，因?yàn)榇箢w粒和小顆粒所需的燒結(jié)能量不一樣，因此在同樣的燒結(jié)能量下晶粒生長趨勢也不一致，造成燒結(jié)板坯晶粒的大小不均勻。而顆粒的團(tuán)聚導(dǎo)致團(tuán)聚體的表面能下降，燒結(jié)活性降低，導(dǎo)致團(tuán)聚態(tài)粉末相對(duì)周圍顆粒燒結(jié)滯后，形成“周圍優(yōu)先燒結(jié)”局面，當(dāng)滯后燒結(jié)的團(tuán)聚態(tài)粉體開始啟動(dòng)燒結(jié)時(shí)，周邊已經(jīng)形成相對(duì)致密“墻”，致使揮發(fā)雜質(zhì)氣體無法排除，形成較多氣孔［8］。

在棒坯的拉伸階段，隨著金屬向?？字羞\(yùn)動(dòng)和拉應(yīng)力增加，中心部分存在的氣孔、微裂紋等會(huì)在金屬的中心部分出現(xiàn)裂紋核。裂紋核形成后，在應(yīng)力集中和拉應(yīng)力的作用下，斷裂過程便進(jìn)入了裂紋擴(kuò)展階段。而裂紋擴(kuò)展遵循著能量消耗最小的原理，即裂紋的擴(kuò)展總是沿著原子鍵合力最薄弱的表面進(jìn)行。由于離開中心處的金屬流速落后，故使兩個(gè)斷裂面形成頂部朝向拉伸方向的錐形。由于晶界具有較高的位錯(cuò)密度，因此，晶界當(dāng)然是裂紋最容易擴(kuò)展的路徑之一。隨著拉伸的繼續(xù)進(jìn)行，絲材沿著錐形裂紋發(fā)生斷裂。

再就是晶粒大小的不均勻以及較多燒結(jié)孔洞的存在也會(huì)導(dǎo)致晶體在塑性變形中產(chǎn)生應(yīng)力與變形的不均勻分布。晶粒大小的差別越大，孔洞越多，應(yīng)力與變形分布的不均勻程度就越大。這種晶粒間受到的不均勻應(yīng)力，必然造成晶體的變形不均勻，從而影響其后續(xù)拉伸和軋制加工過程的加工性能及最終成品的力學(xué)性能。

而相比之下，TM 粉顆粒大小均勻、分散性好，在后續(xù)的燒結(jié)過程中，由于顆粒大小均勻，基本無團(tuán)聚體存在，燒結(jié)所需能量趨于一致，因此燒結(jié)組織的晶粒大小也相對(duì)均勻，晶粒組織也結(jié)合緊密。在進(jìn)一步的塑性變形中，晶粒所受的應(yīng)力均勻分布，變形程度也趨于一致，因此無論在單向軋制還是在交叉軋制過程中，晶粒受力分布及變形程度差異相對(duì)很小，體現(xiàn)出較好的“凝聚力”，表現(xiàn)出更好的變形一致性，這也就是其加工制品無論是鉬絲還是鉬板，都相對(duì)PM 粉表現(xiàn)出了較好的加工性能和較高的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

分別選用特制的鉬粉和普通的鉬粉，經(jīng)同樣的工藝分別加工成鉬絲和鉬板產(chǎn)品，通過加工過程和性能測試的結(jié)果對(duì)比，表明鉬粉的微觀組織對(duì)鉬加工制品性能有著很大的影響。相比顆粒大小不均勻、團(tuán)聚較為嚴(yán)重、粒度分布較寬的鉬粉，顆粒大小均勻、分散性好、無團(tuán)聚、粒度分布窄的鉬粉可在很大程度上提高燒結(jié)板坯的質(zhì)量，其制備的鉬絲表現(xiàn)出了較高的成品率和室溫力學(xué)性能，鉬板則具有更為良好的力學(xué)性能、優(yōu)異的高溫性能以及較好的各向同性性能。

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