不同鍛造工藝對大規(guī)格鉬棒組織和性能的影響

方漳云

(廈門虹鷺鎢鉬工業(yè)有限公司，福建 廈門 361021)

0 引 言

鉬具有熱膨脹系數(shù)小、強度高、耐高溫、耐腐蝕、導電導熱性能好等一系列優(yōu)異的性能，被廣泛應用在電子、電光源、鍍膜、石油化工、航空航天、高溫結構件及發(fā)熱元器件中[1]。近年來，隨著科學技術的進步和發(fā)展，鉬棒的需求逐漸向規(guī)格更大、單重更高的方向發(fā)展，推動大規(guī)格鉬棒的研究和開發(fā)[2]。鉬棒燒結坯采用鉬粉制備，通過裝粉、冷等靜壓壓制、中頻爐燒結等工藝流程，經(jīng)過粘結、燒結頸長大、孔隙球化和縮小3個階段[3]，在鉬粉顆粒之間和晶體內部發(fā)生物理、化學反應，得到具有一定密度和強度的燒結坯。由于中頻燒結的集膚效應[4]，經(jīng)過高溫燒結，小規(guī)格物料容易得到高密度的棒坯，大規(guī)格的物料無法得到質量穩(wěn)定、高密度的棒坯，且徑向邊部與心部之間的密度分布不均勻。因此，通常采用鍛造方式進一步致密化。本文通過對比研究在相同變形量條件下液壓快速鍛造和空氣錘鍛造大規(guī)格鉬棒的組織和性能的差異，為獲得組織均勻、性能穩(wěn)定、滿足客戶要求、適用于工業(yè)化生產(chǎn)的大規(guī)格鉬棒提供依據(jù)。

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗選用經(jīng)過鉬粉等靜壓壓制、中頻爐燒結的鉬棒燒結坯，鉬棒燒結坯直徑φ150 mm，長度800 mm，其化學成分如表1所示。

1.2 試驗過程

將直徑φ150 mm，長度800 mm的鉬棒燒結坯按照液壓快速鍛造和空氣錘鍛造兩種不同的工藝鍛造至φ105 mm，具體工藝如表2所示。

表1 鉬棒化學成分 %(質量分數(shù))

表2 鉬棒鍛造工藝

1.3 測試表征

對鉬棒燒結坯、液壓快速鍛造后的鉬棒、空氣錘鍛造后的鉬棒取樣分析。其中，在直徑方向11等分取樣檢測密度和維氏硬度，在邊部(位置1)和心部(位置6)取樣觀察縱剖面的金相顯微組織，并沿縱剖面敲開，觀察斷口SEM形貌，取樣位置如圖1所示。密度檢測采用 Metter Toledo XS105DU型電子密度天平，維氏硬度檢測采用Wilson 402MVD型維氏硬度儀，顯微組織觀察采用Nephot-2 型金相顯微鏡，微觀形貌觀察采用Hitachi S-3400N 型掃描電子顯微鏡。

圖1 鉬棒縱剖面取樣位置

2 結果與討論

2.1 不同鍛造工藝鉬棒的致密化行為

液壓快速鍛造和空氣錘鍛造前后鉬棒密度如圖2所示，密度均勻性如表3所示。從上述圖、表中可以看出，鍛造后鉬棒密度顯著提高。液壓快速鍛造后的平均密度10.11 g/cm3，達到理論密度的99.1%，與鉬棒燒結坯平均密度相比，提升0.25 g/cm3，比空氣錘鍛造的鉬棒平均密度高0.11 g/cm3。另外，液壓快速鍛造的鉬棒在不同位置取樣檢測的密度值均高于空氣錘，不同位置密度極差更小，從密度分析，液壓快速鍛造鍛透性和鍛造均勻性明顯優(yōu)于空氣錘。

圖2 鍛造前后鉬棒密度

燒結坯液壓快速鍛造空氣錘鍛造平均密度/(g·cm-3)9.8610.1110.0密度極差/(g·cm-3)0.130.10.24

2.2 不同鍛造工藝鉬棒的維氏硬度

液壓快速鍛造和空氣錘鍛造前后鉬棒維氏硬度如圖3所示，硬度均勻性如表4所示。從上述圖、表中可以看出，鍛造后鉬棒硬度顯著提高。液壓快速鍛造后的平均硬度203.9 HV1.0，與鉬棒燒結坯平均硬度相比，提升43.5 HV1.0，比空氣錘鍛造的鉬棒平均硬度高9.2 HV1.0。另外，液壓快速鍛造的鉬棒在不同位置取樣檢測的硬度值均高于空氣錘，不同位置硬度極差更小，從硬度分析，同樣可以看出液壓快速鍛造鍛透性和鍛造均勻性明顯優(yōu)于空氣錘。

圖3 鍛造前后鉬棒維氏硬度

燒結坯液壓快速鍛造空氣錘鍛造平均硬度/HV1.0160.4203.9194.7硬度極差/HV1.018.47.520.3

2.3 不同鍛造工藝鉬棒的微觀組織分析

鉬棒燒結坯、液壓快速鍛造后、空氣錘鍛造后邊部和心部縱剖面的金相組織和SEM形貌如圖4和圖5所示。

圖4 鍛造前后鉬棒縱剖面金相組織a、b—鉬棒燒結坯邊部、心部；c、d—鉬棒液壓快速鍛造態(tài)邊部、心部；e、f—鉬棒空氣錘鍛造態(tài)邊部、心部

圖5 鍛造前后鉬棒縱剖面微觀形貌a、b—鉬棒燒結坯邊部、心部；c、d—鉬棒液壓快速鍛造態(tài)邊部、心部；e、f—鉬棒空氣錘鍛造態(tài)邊部、心部

從圖4a、b和圖5a、b可以看出，鉬棒燒結坯為等軸晶組織，晶粒大小不均勻，晶粒與晶粒之間存在大量的孔洞，邊部孔洞明顯大于心部。大規(guī)格鉬棒燒結坯密度與孔隙殘留、擴散逸出難易程度有關[5]。在燒結過程中，邊部優(yōu)先于心部孔隙球化和縮小，晶粒形核長大，孔隙閉合，導致心部孔隙通道變少，路徑延長，雜質揮發(fā)受阻，因此邊部與心部之間存在一定的密度差[6-7]。

從圖4c、e和圖5c、e可以看出，經(jīng)過51%鍛造變形量后，晶粒在外力作用下破碎，變形，晶界交錯搭接，孔洞壓實并逐漸閉合，進一步致密化，密度提升。燒結態(tài)的等軸晶粒逐漸沿鍛造方向伸長，晶粒呈纖維狀加工態(tài)組織。由于鍛造加工過程中，晶粒沿縱向滑移、轉動、變形、破碎，導致晶界接觸面積增加，晶界阻力變大，強度提高，且經(jīng)過鍛造加工的棒材晶粒纖維組織更加一致，晶粒更加細小均勻。因此，鍛造后維氏硬度也明顯大于燒結態(tài)。

對比圖4c、e和圖5c、e可以看出，與空氣錘相比，液壓快速鍛造的鉬棒纖維組織更加發(fā)達，晶粒更加細小。對比圖4d、f和圖5d、f可以看出，液壓快速鍛造的鉬棒心部組織呈纖維狀，與邊部相比，組織較不均勻。空氣錘鍛造的鉬棒心部大部分晶粒沿縱向拉長變形，局部晶粒仍呈現(xiàn)等軸晶狀，心部孔洞分布明顯多于液壓快造鍛造后的鉬棒，且孔洞更大。鍛造后組織的不同，決定了邊部與心部之間密度和硬度的差異，也顯示出液壓快速鍛造的鍛透性和鍛造均勻性優(yōu)于空氣錘。從設備角度分析，空氣錘依靠空氣作為傳動介質，通過壓縮活塞與工作活塞之間的聯(lián)動，實現(xiàn)往復打擊鍛造，液壓快速鍛造屬于靜壓鍛造，通過液壓系統(tǒng)可精確控制工作行程[8]，且其鍛造力較大，更均勻。空氣錘鍛造容易受到物料變形抗力的影響，心部作用力較小。液壓快速鍛造作用力可傳遞至心部，因此，在同樣變形量條件下，鍛后均勻性更優(yōu)。

3 結 論

(1)與空氣錘鍛造相比，在相同鍛造變形量條件下，液壓快速鍛造對大規(guī)格鉬棒的鍛透性更強，鍛造均勻性更優(yōu)。

(2)液壓快速鍛造的鉬棒徑向密度和硬度高于空氣錘鍛造，且邊部與心部數(shù)值極差較小，均勻性優(yōu)于空氣錘鍛造。

(3)液壓快速鍛造的鉬棒邊部和心部呈現(xiàn)典型的纖維狀加工態(tài)組織，與空氣錘相比，組織更加均勻、細密。

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