細(xì)粒鉬粉低溫連續(xù)燒結(jié)工藝研究

趙 虎，楊秦莉，付靜波，張菊平，莊 飛,陳 強(qiáng)，武 洲,史振琦，弋社峰

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

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細(xì)粒鉬粉低溫連續(xù)燒結(jié)工藝研究

趙 虎，楊秦莉，付靜波，張菊平，莊 飛,陳 強(qiáng)，武 洲,史振琦，弋社峰

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西 西安 710077)

研究了細(xì)顆粒鉬粉的低溫連續(xù)燒結(jié)工藝可行性，所制備鉬坯的品質(zhì)、壓力加工性能及軋制成0.5 mm厚鉬薄板的力學(xué)性能。研究結(jié)果表明：針對費(fèi)氏粒度小于2.0 μm的鉬粉，利用低溫連續(xù)燒結(jié)工藝可實(shí)現(xiàn)鉬坯的燒結(jié)進(jìn)程，鉬坯燒結(jié)密度高、晶粒細(xì)小均勻，軋制獲得的0.5 mm厚鉬薄板的力學(xué)性能與對比樣品相當(dāng)。

鉬；低溫連續(xù)；燒結(jié)；力學(xué)性能

0 前 言

鉬由于熔點(diǎn)高(2 622 ℃)、高溫耐蝕性強(qiáng)等顯著特點(diǎn)而被加工成鉬薄板(帶)、鉬絲及各種異型件的制品，作為靶材、冶煉器皿、電光源、加熱體、隔熱屏、熔煉電極、電接觸器件等制品[1-4]而廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金化工、機(jī)械電子、汽車制造等領(lǐng)域[5]。目前粉末冶金法生產(chǎn)鉬金屬材料的坯料時，燒結(jié)工序大多采用中頻氫氣氣氛燒結(jié)、電阻真空氣氛燒結(jié)，所用原料鉬粉的平均粒度大多在2～6 μm，燒結(jié)溫度通常高達(dá)1 800 ～2 000 ℃[6-8]。中頻爐、真空爐均為封閉的爐體，是單爐次間歇式生產(chǎn)模式，其升溫及降溫階段耗時長[9]。以坩堝尺寸為φ600×φ1 000 mm的中頻爐燒結(jié)1爐次φ20～φ90 mm的鉬棒為例，燒結(jié)周期不少于40 h(包含降溫階段)，而電阻真空燒結(jié)周期更長。這種高溫下長周期燒結(jié)的工藝能耗巨大，并且由于頻繁的升溫、降溫導(dǎo)致爐體中的耐火材料、隔熱材料及各類輔材需要頻繁更換，因而燒結(jié)成本很高。目前難熔金屬燒結(jié)新技術(shù)研究的熱點(diǎn)如電場活化燒結(jié)技術(shù)(FAST)[10]、SPS快速燒結(jié)[11]或微波加熱燒結(jié)[12]等技術(shù)可降低金屬粉末的燒結(jié)溫度、提高生產(chǎn)效率，但受限于產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性、產(chǎn)品尺寸規(guī)格做不大及不能工業(yè)化應(yīng)用等缺陷，上述技術(shù)尚未被大量工業(yè)應(yīng)用。本研究提出利用細(xì)顆粒鉬粉在高溫隧道窯中進(jìn)行鉬的低溫連續(xù)燒結(jié)工藝，分析其可行性及燒結(jié)鉬坯的品質(zhì)、壓力加工性能及鉬材料的力學(xué)性能，為該工藝的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)原料選用3種費(fèi)氏粒度小于2.0 μm的細(xì)粒鉬粉，編號分別為1#、2#、3#，鉬粉的指標(biāo)見表1，微觀形貌見圖1。將鉬粉采用油壓機(jī)鋼模成型方式壓制成單重1.0 kg的鉬素坯，壓制壓力15～20 MPa。鉬坯在高溫隧道窯中氫氣氣氛采用低溫連續(xù)燒結(jié)工藝燒結(jié)。燒結(jié)后的鉬坯檢測其雜質(zhì)含量，采用排水法測定實(shí)際密度(計(jì)算相對密度，鉬的理論密度取10.2 g/cm3)，利用ML7000E-DG顯微鏡觀察鉬坯金相，用S-3400型掃描電鏡觀察鉬坯斷口形貌。對燒結(jié)鉬坯熱軋開坯、溫軋及冷軋?zhí)幚硪垣@得0.5 mm厚度的鉬薄板；并對0.5 mm鉬薄板進(jìn)行700 ℃、800 ℃、900 ℃、1 000 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃及1 300 ℃熱處理，熱處理時間40 min，熱處理在馬弗爐氫氣氣氛中進(jìn)行。最后測定熱處理后的鉬薄片HV0.5、室溫拉伸性能、杯突值(GB/T4156-2007)。

表1 試驗(yàn)用原料鉬粉指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)用原料鉬粉形貌

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 低溫連續(xù)燒結(jié)工藝

低溫連續(xù)燒結(jié)工藝在高溫隧道窯中進(jìn)行，設(shè)備的最高燒結(jié)溫度1 650 ℃，共12個階段(每段長度1 m)，爐體呈“一”字通道式布置，進(jìn)料區(qū)2段，高溫?zé)Y(jié)溫區(qū)6段，降溫區(qū)4段(緩冷2段、水冷2段)。料舟推進(jìn)速率(0.5～1 m/h)可依據(jù)工藝調(diào)節(jié)，氫氣流量4～8 m3/h。

圖2 低溫連續(xù)工藝及溫度場模擬圖

分析高溫推板窯爐中的溫度場(圖2)可見，由于溫度場的輻射作用，高溫隧道窯爐中溫度場呈現(xiàn)為連續(xù)的狀態(tài)，在兩個溫度臺階的保溫區(qū)域工藝溫度很穩(wěn)定，鉬坯通過隧道窯的傳動機(jī)構(gòu)通過R1～R6燒結(jié)溫區(qū)，緩冷區(qū)階段鉬坯隨爐降溫，而在水冷區(qū)快速降溫至室溫，實(shí)現(xiàn)了鉬坯的連續(xù)性燒結(jié)。1#、2#試驗(yàn)料燒結(jié)的最高溫度控制為1 500 ℃，燒結(jié)周期20 h；3#試驗(yàn)料最高燒結(jié)溫度1 550 ℃，燒結(jié)周期24 h。連續(xù)式燒結(jié)省略了升溫、降溫環(huán)節(jié)，不僅縮短了燒結(jié)周期，顯著提高了生產(chǎn)效率，并且降低了燒結(jié)溫度，避免了燒結(jié)爐頻繁升、降溫及高溫狀態(tài)對耐火材料及輔材的大量消耗，顯著降低了燒結(jié)成本。

與單爐次的燒結(jié)模式相比，連續(xù)燒結(jié)的工藝及產(chǎn)品質(zhì)量更為穩(wěn)定。這是因?yàn)樵诠に噮?shù)相同的情況下，單爐次燒結(jié)時每爐次的操作方式、控溫條件、熱電偶位置、裝料容量、爐體中氣體流量大小等人為因素增多。而連續(xù)燒結(jié)過程中設(shè)備的操作方式、溫度場、氣氛環(huán)境等條件更為恒定，設(shè)備正常運(yùn)行的時間段中可確保產(chǎn)品性能穩(wěn)定、一致。

2.2 燒結(jié)鉬坯品質(zhì)

低溫連續(xù)燒結(jié)鉬坯品質(zhì)見表2，低溫連續(xù)燒結(jié)所制鉬坯微觀金相及斷口SEM照片見圖3。由表2可見：與對比試樣相比，低溫連續(xù)燒結(jié)工藝所制鉬坯的相對密度較高，晶粒尺度更為細(xì)小，化學(xué)成分中C含量接近，但O含量稍高。可見由于細(xì)顆粒鉬粉燒結(jié)時擴(kuò)散、流動及晶粒形核、長大的驅(qū)動力下降，燒結(jié)溫度降低至1 500～1 550 ℃，燒結(jié)周期縮短至20～24 h可實(shí)現(xiàn)細(xì)顆粒鉬粉的致密化燒結(jié)，但由于初始粉末中的O含量過高及燒結(jié)溫度和周期大幅降低的綜合作用，比表面積較大的細(xì)顆粒鉬粉表面吸附的O或Mox-Oy化合物[13]中的O的分解、擴(kuò)散動能下降，導(dǎo)致最終燒結(jié)鉬坯的O含量稍高于對比試樣。

表2 低溫連續(xù)燒結(jié)鉬坯品質(zhì)

*：對比試樣為3.5 μm粒度鉬粉利用中頻爐氫氣氣氛燒結(jié)后的鉬坯，下同。

圖3 低溫連續(xù)燒結(jié)所制鉬坯微觀金相及斷口SEM照片

2.3 軋制鉬薄板性能

將1#、2#、3#鉬坯及對比試樣經(jīng)1 300 ℃熱軋開坯、溫軋和冷軋獲得厚度為0.5 mm 的鉬薄板。表3統(tǒng)計(jì)了壓力加工過程鉬坯的加工成品率，可見利用本試驗(yàn)工藝制備的鉬燒結(jié)坯壓力加工性能良好，成品率與對比試樣統(tǒng)計(jì)值接近。

表4是1#、2#、3#鉬坯及對比試樣加工成0.5 mm

鉬薄板(未退火)的室溫力學(xué)性能，結(jié)合圖4中不同溫度階段退火處理的0.5 mm鉬薄板的室溫力學(xué)性能規(guī)律，可見本工藝制備的0.5 mm鉬薄板的室溫力學(xué)性能良好，完全可滿足進(jìn)一步?jīng)_壓加工。

表3 鉬坯加工成品率統(tǒng)計(jì)(裁剪后)

表4 低溫連續(xù)燒結(jié)工藝制備的鉬坯加工成0.5 mm鉬薄板室溫力學(xué)性能

同時，從退火溫度對0.5 mm鉬薄板室溫力學(xué)性能的影響(圖4)可見，隨著退火溫度的升高，0.5 mm純鉬薄板的硬度、杯突值、強(qiáng)度逐漸降低。從硬度和強(qiáng)度隨退火溫度的變化趨勢圖來看，0.5 mm鉬薄板的晶?；貜?fù)溫度大致在900 ℃，1 300 ℃熱處理后杯突值顯著下降并在杯突試驗(yàn)后呈現(xiàn)脆性裂紋，說明晶?；貜?fù)進(jìn)程基本完成。整體對比來看，采用細(xì)顆粒鉬粉經(jīng)低溫連續(xù)燒結(jié)工藝制備的鉬坯軋制獲得的0.5 mm厚度鉬薄板與對比試樣性能接近。

圖4 退火溫度對0.5mm鉬薄板室溫力學(xué)性能的影響(a)硬度;(b)杯突值;(c)抗拉強(qiáng)度

3 結(jié) 論

本試驗(yàn)利用費(fèi)氏粒度低于2.0 μm的細(xì)顆粒鉬粉，在高溫隧道窯爐中實(shí)現(xiàn)了細(xì)粒鉬粉的低溫連續(xù)燒結(jié)工藝，在本試驗(yàn)條件下，得出以下結(jié)論：

(1)利用低溫連續(xù)燒結(jié)工藝可實(shí)現(xiàn)鉬坯的燒結(jié)致密化，鉬坯燒結(jié)相對密度達(dá)到97.5%以上、晶粒細(xì)小均勻、晶粒度達(dá)到5～6級。但由于燒結(jié)溫度和周期大幅降低及原料粉末中O含量高的綜合原因，燒結(jié)坯的O含量稍高。

(2)低溫連續(xù)燒結(jié)工藝制備的鉬坯壓力加工性能良好，制備0.5 mm鉬薄板的軋制成品率和性能與現(xiàn)有技術(shù)產(chǎn)品相當(dāng)。

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RESEARCH ON THE LOW-TEMPERATURE AND SUCCESSIVE SINTERING PROCESS OF FINE MOLYBDENUM POWDER

ZHAO Hu，YANG Qin-li，F(xiàn)U Jing-bo,ZHANG Ju-ping,ZHUANG Fei,CHEN Qiang,WU Zhou,SHI Zhen-qi,YI She-feng

(Jinduicheng Molybdenum Co., Ltd., Xi′an 710077, Shaanxi,China)

The practicability of fine molybdenum powder low-temperature and successive sintering process and the qualities of molybdenum billets and mechanical properties of 0.5 mm thickness molybdenum sheet rolled by the billets were studied in this paper. The results show that molybdenum sintering proceeding can be achieved by the low-temperature and successive sintering process when the molybdenum powder size lower than 2.0 μm. The density of the sintered molybdenum billets is high, the grain size is fine and uniform. The mechanical properties of 0.5 mm thickness molybdenum sheet rolled by the billets is close to the contrast sample.

molybdenum; low-temperature and successive; sintering; mechanical properties

2017-01-04；

2017-02-10

趙 虎(1979—)，男，碩士，高級工程師，主要研究鉬及鉬合金材料加工。E-mail：zhaohu126@126.com

10.13384/j.cnki.cmi.1006-2602.2017.02.011

146.4+12

A

1006-2602(2017)02-0052-04